基于模態分析的超聲切削刀具設計方法
【專利摘要】本發明公開了一種基于模態分析的超聲切削刀具設計方法，用于解決現有超聲切削刀具使用安全性差的技術問題。技術方案是首先確定系統的共振頻率，然后確定刀具在設計時可以更改的尺寸變量，采用遺傳算法優化，以經過模態分析得出的振幅最大為目標，得出刀具尺寸最優的結果。由于采用改變刀具可變參數的方法，以匹配超聲振動切削系統的工作頻率，使得超聲加工過程中能獲得最大的振幅。同時，在加工過程中，每次換刀所選擇的刀具都是經過數值優化計算得到的最優刀具，不需要每次都重新定位測量選擇刀具頂端的位置，因此可以在加工中心中使用自動換刀，提高了加工效率，保證加工的安全性，適用工廠大規模推廣使用。
【專利說明】基于模態分析的超聲切削刀具設計方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種超聲切削刀具設計方法，特別是涉及一種基于模態分析的超聲切削刀具設計方法。
【背景技術】
[0002]文獻“超聲振動切削刀具設計，機械設計與制造，2012，Vol02，p242_244”公開了一種超聲切削刀具設計方法。該方法以擴大刀具頂端振幅為目的，首先分析切削系統的運動狀態，計算出振動波長，再確定出變幅桿的尺寸，定位刀具端點處于整個波長的四分之一波長處，以達到最大振幅。按照波動合成原理，當系統處于共振狀態時，只有在逐波節點平面內，從單方向的入射波和反方向的反射波弓I起的質點位移大小相等方向相反，合成位移始終為零。因此，變幅趕的固定點選擇在逐波節點處，由逐波節點向兩端延伸振幅逐漸增大，到達刀具頂端再次出現振幅最大的波腹點，達到擴大振幅的目的。為了使每次加工時刀具都能達到最大振幅，作者設計出定位刀架，調節刀具在彈簧夾頭固定的尺寸，以滿足每次加工時刀具頂端都處于波長的最大振幅處，較好地解決了在超聲振動切削中，設計刀具達到最大振幅的目的。該文獻所述方法的實際應用性不強，每次換刀都需要重新定位測量刀具的位置，降低了加工效率；同時，如果有些刀具長度尺寸較短，而所需定位長度較長，可能會使得刀具夾緊不牢靠，在振動切削中容易使刀具脫落，發生事故。在工藝設計中，彈簧夾頭夾緊刀具的長度至少應該達到整個刀具長度的三分之一以上。
【發明內容】
[0003]為了克服現有超聲切削刀具使用安全性差的不足，本發明提供一種基于模態分析的超聲切削刀具設計方法。該方法首先確定系統的共振頻率，然后確定刀具在設計時可以更改的尺寸變量，采用遺傳算法優化，以經過模態分析得出的振幅最大為目標，得出刀具尺寸最優的結果，即可選擇該尺寸的刀具作為本次加工所使用的刀具，使由刀具和超聲刀柄構成的超聲振動切削系統能夠在共振狀態下工作，從而提高超聲振動切削的性能和效果，只需要換刀，無需每次加工時重新定位測量，提高了加工效率和加工時的安全系數。
[0004]本發明解決其技術問題所采用的技術方案是:一種基于模態分析的超聲切削刀具設計方法，其特點是采用以下步驟:
[0005]步驟一、根據超聲振動切削系統的特性，在加工前進行模態分析，確定系統工作頻率f0。
[0006]步驟二、根據刀具類型和結構，在保證加工要求的前提下，確定待優化的刀具參數變量，設定初始參數值。如果加工的是切除材料，設定可變參數為三個邊長和切刀的厚度；如果加工的是孔，鉆頭直徑保持不變，設定可變參數有鉆頭的長度、螺旋槽的長度和刀柄的直徑。
[0007]步驟三、采用遺傳算法對步驟二中的可變參數進行優化運算，優化后的刀具可變參數結果供步驟四使用。
[0008]步驟四、根據步驟三得出優化后的刀具可變參數，對超聲振動切削系統進行模態分析，即獲得所需振型的第一固有頻率f和振幅，并驗證目標變量a的符合程度:
卜 min|/-./01
[0009]1、
[b = max (/VZ)
[0010]式中，a表示第一固有頻率和超聲振動切削系統的工作頻率之間的差；b表示刀具尖端位移放大倍數的最大值;M表示刀具尖端位移的放大倍數。
[0011]步驟五、經過步驟三和步驟四的反復運算操作，得出最符合設計要求的結果，輸出優化后的刀具參數。
[0012]本發明的有益效果是:該方法首先確定系統的共振頻率，然后確定刀具在設計時可以更改的尺寸變量，采用遺傳算法優化，以經過模態分析得出的振幅最大為目標，得出刀具尺寸最優的結果，即可選擇該尺寸的刀具作為本次加工所使用的刀具，使由刀具和超聲刀柄構成的超聲振動切削系統能夠在共振狀態下工作，從而提高超聲振動切削的性能和效果。由于采用改變刀具可變參數的方法，以匹配超聲振動切削系統的工作頻率，使得超聲加工過程中能獲得最大的振幅。同時，在加工過程中，每次換刀所選擇的刀具都是經過數值優化計算得到的最優刀具，不需要每次都重新定位測量選擇刀具頂端的位置，因此可以在加工中心中使用自動換刀，提高了加工效率，保證加工的安全性，適用工廠大規模推廣使用。
[0013]下面結合附圖和【具體實施方式】對本發明作詳細說明。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0014]圖1是采用本發明方法設計的超聲切削刀具示意圖。
[0015]圖2是圖1的俯視圖。
【具體實施方式】
[0016]參照圖1-2。本發明基于模態分析的超聲切削刀具設計方法具體步驟如下:
[0017]一.確定系統工作頻率。
[0018]根據切削加工要求，確定系統工作頻率，即期望的超聲振動切削系統的固有頻率。一般情況下將超聲振動切削系統中換能器和變幅桿作為一個整體，使用模態分析軟件求得其固有頻率fo，也可以使用加速度傳感器測量其振動數據，得出固有頻率當施加的超聲電源的激勵頻率與超聲振動切削系統的固有頻率一致時，系統共振，從而使得刀具頂端的振幅達到最大，提聞加工效果。
[0019]二.基于遺傳算法的刀具結構和尺寸參數優化。
[0020]本發明采用基于精英策略的非支配排序遺傳算法進行刀具結構和尺寸參數優化。具體過程如下。
[0021]I)確定刀具優化遺傳算法的編碼。
[0022]①根據刀具的類型和結構，確定參數變量。以附圖1所示超聲切刀為例，設定切刀尺寸參數變量，分別為AB = I1, BC = 12,AD = I3，厚度設為h。
[0023]②給定參數的取值范圍。通常，根據零件加工要求，確定刀具參數初始設計值，然后以所設計的刀具參數設計值為中值，確定每個參數的具體取值范圍。例如，取I1 e {5土 AL1Kl2 e {25土 ALj，I3 e {12±AL3}，he {12土 Λ h}(單位:毫米)。
[0024]③確定編碼策略。以二進制編碼為基礎，每個變量可以取16個值，因此每個變量為四位二進制編碼。如變量I2的四位二進制編碼為0000-1111，在[25-Λ L2, 25+Λ L2]之間取16個值。
[0025]2)確定刀具優化遺傳算法的適應度函數。
[0026]以優化目標作為適應度函數，Fn = min|f-f0|o f0為期望的系統工作頻率，f為刀具尺寸改變后的超聲振動切削系統(超聲刀柄和刀具)的實際固有頻率，通過模態分析得到。
[0027]3)確定刀具優化遺傳算法的選擇算子。
[0028]計算群體中每個個體在下一代生存的期望數目Ni:
F.
[0029]Ni =—-
"avg
[0030]其中，Favg表示F的均值。
[0031]若某個個體被選中并要求參與配對和交叉，則它在下一代中的生存期望數目減去
0.5 ;若不參與配對和交叉，則該個體的期望數目減去1.0。隨著選擇過程的進行，若某個個體的期望值小于零，則該個體就不會再被選中。
[0032]4)確定刀具優化遺傳算法的交叉算子。
[0033]對兩個交叉點之間的基因進行交換。
[0034]5)確定刀具優化遺傳算法的變異算子。
[0035]變異算子的基本內容是對群體中的個體編碼串的某些基因位置上的基因值作變動。即將所指定的變異點上的基因值更換為與原值不同的另一個基因值。如0000參數對第二位變異，則變異后的參數為0010。
[0036]6)采用遺傳算法進行運算。
[0037]三.模態分析。
[0038]通過模態分析求出由所設計刀具和超聲刀柄組成的超聲振動切削系統的縱向振型的第一固有頻率f及刀尖振幅放大倍數M。模態分析的具體步驟為:
[0039]①設定超聲刀柄和刀具的三維模型
[0040]②設立模態分析項和邊界條件
[0041]③劃分網格
[0042]④求解模型，得出刀具系統的固有頻率和振型
[0043]⑤比較優化目標函數
Ui = min I /.—/01
[0044]■'' Jo'
I/) = max(M)
[0045]四.確定最優參數。
[0046]將經過遺傳算法和模態分析得到優化的刀具參數，即獲得優化的刀具幾何尺寸(或刀具結構)。刀具材質:硬質合金。應用范圍:蜂窩復合材料以及纖維、皮革等材料的切割。
【權利要求】
1.一種基于模態分析的超聲切削刀具設計方法，其特征在于包括以下步驟: 步驟一、根據超聲振動切削系統的特性，在加工前進行模態分析，確定系統工作頻率f0 ； 步驟二、根據刀具類型和結構，在保證加工要求的前提下，確定待優化的刀具參數變量，設定初始參數值；如果加工的是切除材料，設定可變參數為三個邊長和切刀的厚度；如果加工的是孔，鉆頭直徑保持不變，設定可變參數有鉆頭的長度、螺旋槽的長度和刀柄的直徑; 步驟三、采用遺傳算法對步驟二中的可變參數進行優化運算，優化后的刀具可變參數結果供步驟四使用； 步驟四、根據步驟三得出優化后的刀具可變參數，對超聲振動切削系統進行模態分析，即獲得所需振型的第一固有頻率f和振幅，并驗證目標變量a的符合程度:ja = m\n\f~f0\
}/) - max(A/) 式中，a表示第一固有頻率和超聲振動切削系統的工作頻率之間的差；b表示刀具尖端位移放大倍數的最大值…表示刀具尖端位移的放大倍數； 步驟五、經過步驟三和步驟四的反復運算操作，得出最符合設計要求的結果，輸出優化后的刀具參數。
【文檔編號】G06N3/12GK104318007SQ201410557508
【公開日】2015年1月28日 申請日期:2014年10月20日 優先權日:2014年10月20日
【發明者】田錫天, 陳龍, 車武軍 申請人:西北工業大學