超精密机床立柱的动态分析及结构优化

【摘要】微纳机床是进行微纳加工机床设备的总称,其代表着一个国家最高的工业技术水平,是高端制造产业的重要基石,决定着国家整体制造产业的核心竞争力,直接影响着国计民生。NVG-300微V型槽精密加工机床主要用于微V沟槽、微柱面槽、导光槽、背光模组及划片等超精密加工,要求×、Z轴定位精度0.5μm,Y轴定位精度1μm,加工工件表面粗糙度小于0.01μm,主轴径向跳动精度0.1μm。这类加工设备广泛应用于国防、航空、航天以及微电子等领域,是高科技产品生产加工的母机。而我国微纳加工设备的结构动态设计水平与国外有很大差距,主要依靠经验设计、试制样机、安装调试、结构修改等,开发周期较长且难以满足高速、高精度的加工要求。因此为了在短时间内开发出结构合理、高精度、低振动、低成本的微纳米机床,必须采用先进的CAE分析技术对纳米机床结构进行动态分析以及动态参数优化。立柱结构是机床的主要组成部分,其动态性能直接影响到微纳机床的加工精度。本文主要针对NVG-300微纳米机床的立柱结构展开研究,采用有限元分析的方法对立柱进行动态分析及动态参数优化,提高机床的动态刚度。主要研究工作有：微纳米机床立柱的参数化CAD建模、立柱的动态分析和模态测试(因为目前条件限制只给出模态测试方案)、立柱的动态响应参数优化(响应曲面的建立、灵敏度分析、多目标优化)。本文的创新点主要体现在如下几部分：(1)采用静、动态相结合的方法对微纳机床的立柱进行分析,首先对立柱的连接螺栓施加预紧力的条件下对立柱进行静力学分析,在此基础上对机床进行模态分析和谐响应分析,研究立柱在磨削力的作用下的磨削点和工件之间的动态刚度。(2)对立柱结构整体进行尺寸优化,把结构的设计尺寸设置为设计变量,采用中心复合实验设计方法确定有限元优化分析的样本,并且分别求解。(3)采用响应曲面法建立各个设计变量和目标变量之间的响应曲面模型,建立设计变量和目标变量之间的函数关系。(4)采用基于响应曲面法的多目标遗传算法对立柱进行结构优化,并对每个目标变量进行权衡,获得一组pareto解集,选择最佳的设计方案；采用灵敏度度分析对设计变量进行取整,便于设计和加工,取整后对立柱进行动态分析获得最终的动态参数并确定最终的设计方案。经过优化后机床立柱的质量没有增加,而机床的一、二阶固有模态明显提高,有效的提高了机床加工的稳定性,磨削点与工件之间的相对振动位移明显降低,理论上提高了机床磨削点与加工工件之间的刚度,提高了机床整机的加工精度。
【作者】王英乾；
【导师】刘强；
【作者基本信息】广东工业大学，机械电子工程（专业学位），2014，硕士
【关键词】超精密机床；立柱；动态特性；有限元；响应曲面；多目标优化；

【参考文献】
[1]谷凤羽.内蒙古苏尼特左旗地区宝力高庙组上段火山岩的成因[D].石家庄经济学院,矿物学、岩石学、矿床学,2014,硕士.
[2]何健.中学历史史料教学研究与实践[D].福建师范大学,教育,2003,硕士.
[3]魏玲,杨明皓.电力市场中分布式发电孤岛模式对配电公司费用的影响[J].电力系统自动化,2009,02:15-19.
[4]殷汶杰.基于噪声处理的高效视频编码技术研究[D].上海大学,信号与信息处理,2012,硕士.
[5]楚娟.基于生态位理论人民币理财产品市场细分及评估研究[D].江苏科技大学,管理科学与工程,2013,硕士.
[6]李守业.甘肃省水资源承载力及结构分析[D].兰州商学院,数量经济学,2014,硕士.
[7]王晓冰.信息时代的高科技园[D].天津大学,建筑设计及其理论,2004,硕士.
[8]杨寒冰.中外青年导演的创作比较—吕克·贝松和王小帅导演在电影艺术化中的演变[D].西安建筑科技大学,艺术设计,2013,硕士.
[9]张永帅.导数非线性薛定谔方程的达布变换及其应用[D].宁波大学,应用数学,2014,硕士.
[10]卜华文.基于ASA频谱变化的LTE-A协作多点传输集合管理研究[D].安徽大学,通信与信息系统,2014,硕士.
[11]段俊涛.文脉延续视角下景观设计元素在遗址公园中运用的审视[D].西安建筑科技大学,设计艺术学,2013,硕士.
[12]王邵堃.地税系统办税服务厅纳税服务管理优化研究[D].天津大学,公共管理,2013,硕士.
[13]周旭冉.单脊波导脊边双缝阵列天线的设计[D].西北大学,通信与信息系统,2013,硕士.
[14]葛建壮.数据挖掘技术在模具企业设计知识库中的应用研究[D].重庆大学,2004.
[15]邵范源.工厂铁路计算机联锁动态继电器电路存在问题及改进[J].铁道通信信号.2001(02)
[16]周尧.1979-1991年贵州经济体制改革研究[D].贵州财经大学,经济史,2013,硕士.
[17]杨庆.基于RMP分析的武汉工业旅游产品开发研究[D].华中师范大学,自然地理学,2013,硕士.
[18]王燕芳.粘结剂对无烟粉煤型焦质量的影响[J].煤炭转化.2000(02)
[19]周军梅.（λ，μ）Vague群（环）的初探[D].西北大学,基础数学,2013,硕士.
[20]张明明.1，25-二羟维生素D3对人胃粘膜上皮细胞恶性转化过程的影响[D].山西医科大学,外科学（专业学位）,2013,硕士.
[21]文春.社会工作视角下的农村女青年婚变问题研究[D].福建师范大学,社会工作（专业学位）,2013,硕士.
[22]闫雪南.基于压缩感知理论的人脸图像压缩研究[D].北方工业大学,应用数学,2014,硕士.
[23]王春荣.西宁市特色农业发展战略研究[D].安徽农业大学,农村与区域发展,2012,硕士.
[24]王凤.创业板上市公司IPO盈余管理的实证研究[D].辽宁大学,会计学,2012,硕士.
[25]李鹤.我国医药产业市场结构优化研究[D].吉林大学,产业经济学,2014,硕士.
[26]井光明.几类本原有向图的Scrambling指数及m-Competition指数[D].中北大学,组合数学,2013,硕士.
[27]丁辉.日照市文化产业发展存在的问题及对策分析[D].中国海洋大学,公共管理,2011,硕士.
[28]韦宜峰.凋亡抑制因子survivin mRNA在鼻咽癌组织中的定量表达[D].广西医科大学,耳鼻咽喉科学,2004,硕士.
[29]何吉成.武汉市磨山景区景观结构及游憩活动的研究[D].华中农业大学,园林植物与观赏园艺,2001,硕士.
[30]田文秀.对西藏地区现行人教版高中汉语教材适应性的研究[D].西藏大学,学科教学,2014,硕士.
[31]赵鑫锐.代谢工程改造酿酒酵母降低黄酒中的氨基甲酸乙酯[D].江南大学,发酵工程,2014,博士.
[32]金鑫,李元左.空间军事系统综合集成研讨厅中数据挖掘应用[J].装备指挥技术学院学报,2005,04:57-60.
[33]张希娴.女性主义视角下的《杀死一只知更鸟》汉译本研究[D].河北师范大学,英语语言文学,2014,硕士.
[34]徐勇.基于Android智能手机的动态心电监测系统设计[D].南京邮电大学,电子与通信工程（专业学位）,2013,硕士.
[35]聂竹青.房地产估价机构发展战略研究[D].北京交通大学,工商管理（专业学位）,2013,硕士.
[36]付博.中学生党史教育的现状分析及对策研究[D].内蒙古师范大学,教育（专业学位）,2013,硕士.
[37]周恩.消费社会中的休闲异化研究[D].山东大学,马克思主义中国化研究,2013,硕士.
[38]李进洲.预应力混凝土桥梁疲劳力学行为试验研究及理论分析[D].中南大学,桥梁与隧道工程,2013,博士.
[39]曹国平.现代企业预算管理研究[D].华北电力大学（北京）,2005.
[40]颜毅.在阅读教学中普及现代高科技知识[J].语文教学与研究,2011,14:20-21.
[41]记者张亦筑.推动石墨烯在渝实现产业化[N].重庆日报,2013-02-27002.
[42]李钟群.浙江省农田水利工程绩效评价研究[D].浙江大学,项目管理（专业学位）,2012,硕士.
[43]王硕.精力分配模式下政治类会议口译的策略研究[D].吉林大学,翻译,2014,硕士.
[44]姚穗生.科胜电子科技有限公司发展战略研究[D].湖南大学,工商管理,2013,硕士.
[45]汪洋,钟海旺,夏清,王鑫明,王铁强,孙广辉.机组检修与运行组合的协同优化[J].电力系统自动化,2014,21:26-31+76.
[46]李霞.语言选择中的权力顺应性[D].山西大学,英语语言文学,2004,硕士.
[47]王莉.大豆质核互作雄性不育系NJCMS2A与其保持系NJCMS2B间差异表达基因的研究[D].南京农业大学,作物遗传育种,2012,硕士.
[48]曹甜甜.基于Android系统的UPNP媒体播放器的研究与实现[D].南京邮电大学,通信与信息系统,2013,硕士.
[49]姚萍.罗尔斯的社会正义理论研究[D].江西师范大学,外国哲学,2004,硕士.
[50]肖浩,刘博阳,湾世伟,赵玉才.全光纤电流互感器的温度误差补偿技术[J].电力系统自动化,2011,21:91-95.