基于模态分析的超声切削刀具设计方法
【专利摘要】本发明公开了一种基于模态分析的超声切削刀具设计方法，用于解决现有超声切削刀具使用安全性差的技术问题。技术方案是首先确定系统的共振频率，然后确定刀具在设计时可以更改的尺寸变量，采用遗传算法优化，以经过模态分析得出的振幅最大为目标，得出刀具尺寸最优的结果。由于采用改变刀具可变参数的方法，以匹配超声振动切削系统的工作频率，使得超声加工过程中能获得最大的振幅。同时，在加工过程中，每次换刀所选择的刀具都是经过数值优化计算得到的最优刀具，不需要每次都重新定位测量选择刀具顶端的位置，因此可以在加工中心中使用自动换刀，提高了加工效率，保证加工的安全性，适用工厂大规模推广使用。
【专利说明】基于模态分析的超声切削刀具设计方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种超声切削刀具设计方法，特别是涉及一种基于模态分析的超声切削刀具设计方法。
【背景技术】
[0002]文献“超声振动切削刀具设计，机械设计与制造，2012，Vol02，p242_244”公开了一种超声切削刀具设计方法。该方法以扩大刀具顶端振幅为目的，首先分析切削系统的运动状态，计算出振动波长，再确定出变幅杆的尺寸，定位刀具端点处于整个波长的四分之一波长处，以达到最大振幅。按照波动合成原理，当系统处于共振状态时，只有在逐波节点平面内，从单方向的入射波和反方向的反射波弓I起的质点位移大小相等方向相反，合成位移始终为零。因此，变幅赶的固定点选择在逐波节点处，由逐波节点向两端延伸振幅逐渐增大，到达刀具顶端再次出现振幅最大的波腹点，达到扩大振幅的目的。为了使每次加工时刀具都能达到最大振幅，作者设计出定位刀架，调节刀具在弹簧夹头固定的尺寸，以满足每次加工时刀具顶端都处于波长的最大振幅处，较好地解决了在超声振动切削中，设计刀具达到最大振幅的目的。该文献所述方法的实际应用性不强，每次换刀都需要重新定位测量刀具的位置，降低了加工效率；同时，如果有些刀具长度尺寸较短，而所需定位长度较长，可能会使得刀具夹紧不牢靠，在振动切削中容易使刀具脱落，发生事故。在工艺设计中，弹簧夹头夹紧刀具的长度至少应该达到整个刀具长度的三分之一以上。
【发明内容】
[0003]为了克服现有超声切削刀具使用安全性差的不足，本发明提供一种基于模态分析的超声切削刀具设计方法。该方法首先确定系统的共振频率，然后确定刀具在设计时可以更改的尺寸变量，采用遗传算法优化，以经过模态分析得出的振幅最大为目标，得出刀具尺寸最优的结果，即可选择该尺寸的刀具作为本次加工所使用的刀具，使由刀具和超声刀柄构成的超声振动切削系统能够在共振状态下工作，从而提高超声振动切削的性能和效果，只需要换刀，无需每次加工时重新定位测量，提高了加工效率和加工时的安全系数。
[0004]本发明解决其技术问题所采用的技术方案是:一种基于模态分析的超声切削刀具设计方法，其特点是采用以下步骤:
[0005]步骤一、根据超声振动切削系统的特性，在加工前进行模态分析，确定系统工作频率f0。
[0006]步骤二、根据刀具类型和结构，在保证加工要求的前提下，确定待优化的刀具参数变量，设定初始参数值。如果加工的是切除材料，设定可变参数为三个边长和切刀的厚度；如果加工的是孔，钻头直径保持不变，设定可变参数有钻头的长度、螺旋槽的长度和刀柄的直径。
[0007]步骤三、采用遗传算法对步骤二中的可变参数进行优化运算，优化后的刀具可变参数结果供步骤四使用。
[0008]步骤四、根据步骤三得出优化后的刀具可变参数，对超声振动切削系统进行模态分析，即获得所需振型的第一固有频率f和振幅，并验证目标变量a的符合程度:
卜 min|/-./01
[0009]1、
[b = max (/VZ)
[0010]式中，a表示第一固有频率和超声振动切削系统的工作频率之间的差；b表示刀具尖端位移放大倍数的最大值;M表示刀具尖端位移的放大倍数。
[0011]步骤五、经过步骤三和步骤四的反复运算操作，得出最符合设计要求的结果，输出优化后的刀具参数。
[0012]本发明的有益效果是:该方法首先确定系统的共振频率，然后确定刀具在设计时可以更改的尺寸变量，采用遗传算法优化，以经过模态分析得出的振幅最大为目标，得出刀具尺寸最优的结果，即可选择该尺寸的刀具作为本次加工所使用的刀具，使由刀具和超声刀柄构成的超声振动切削系统能够在共振状态下工作，从而提高超声振动切削的性能和效果。由于采用改变刀具可变参数的方法，以匹配超声振动切削系统的工作频率，使得超声加工过程中能获得最大的振幅。同时，在加工过程中，每次换刀所选择的刀具都是经过数值优化计算得到的最优刀具，不需要每次都重新定位测量选择刀具顶端的位置，因此可以在加工中心中使用自动换刀，提高了加工效率，保证加工的安全性，适用工厂大规模推广使用。
[0013]下面结合附图和【具体实施方式】对本发明作详细说明。
【专利附图】
【附图说明】
[0014]图1是采用本发明方法设计的超声切削刀具示意图。
[0015]图2是图1的俯视图。
【具体实施方式】
[0016]参照图1-2。本发明基于模态分析的超声切削刀具设计方法具体步骤如下:
[0017]一.确定系统工作频率。
[0018]根据切削加工要求，确定系统工作频率，即期望的超声振动切削系统的固有频率。一般情况下将超声振动切削系统中换能器和变幅杆作为一个整体，使用模态分析软件求得其固有频率fo，也可以使用加速度传感器测量其振动数据，得出固有频率当施加的超声电源的激励频率与超声振动切削系统的固有频率一致时，系统共振，从而使得刀具顶端的振幅达到最大，提闻加工效果。
[0019]二.基于遗传算法的刀具结构和尺寸参数优化。
[0020]本发明采用基于精英策略的非支配排序遗传算法进行刀具结构和尺寸参数优化。具体过程如下。
[0021]I)确定刀具优化遗传算法的编码。
[0022]①根据刀具的类型和结构，确定参数变量。以附图1所示超声切刀为例，设定切刀尺寸参数变量，分别为AB = I1, BC = 12,AD = I3，厚度设为h。
[0023]②给定参数的取值范围。通常，根据零件加工要求，确定刀具参数初始设计值，然后以所设计的刀具参数设计值为中值，确定每个参数的具体取值范围。例如，取I1 e {5土 AL1Kl2 e {25土 ALj，I3 e {12±AL3}，he {12土 Λ h}(单位:毫米)。
[0024]③确定编码策略。以二进制编码为基础，每个变量可以取16个值，因此每个变量为四位二进制编码。如变量I2的四位二进制编码为0000-1111，在[25-Λ L2, 25+Λ L2]之间取16个值。
[0025]2)确定刀具优化遗传算法的适应度函数。
[0026]以优化目标作为适应度函数，Fn = min|f-f0|o f0为期望的系统工作频率，f为刀具尺寸改变后的超声振动切削系统(超声刀柄和刀具)的实际固有频率，通过模态分析得到。
[0027]3)确定刀具优化遗传算法的选择算子。
[0028]计算群体中每个个体在下一代生存的期望数目Ni:
F.
[0029]Ni =—-
"avg
[0030]其中，Favg表示F的均值。
[0031]若某个个体被选中并要求参与配对和交叉，则它在下一代中的生存期望数目减去
0.5 ;若不参与配对和交叉，则该个体的期望数目减去1.0。随着选择过程的进行，若某个个体的期望值小于零，则该个体就不会再被选中。
[0032]4)确定刀具优化遗传算法的交叉算子。
[0033]对两个交叉点之间的基因进行交换。
[0034]5)确定刀具优化遗传算法的变异算子。
[0035]变异算子的基本内容是对群体中的个体编码串的某些基因位置上的基因值作变动。即将所指定的变异点上的基因值更换为与原值不同的另一个基因值。如0000参数对第二位变异，则变异后的参数为0010。
[0036]6)采用遗传算法进行运算。
[0037]三.模态分析。
[0038]通过模态分析求出由所设计刀具和超声刀柄组成的超声振动切削系统的纵向振型的第一固有频率f及刀尖振幅放大倍数M。模态分析的具体步骤为:
[0039]①设定超声刀柄和刀具的三维模型
[0040]②设立模态分析项和边界条件
[0041]③划分网格
[0042]④求解模型，得出刀具系统的固有频率和振型
[0043]⑤比较优化目标函数
Ui = min I /.—/01
[0044]■'' Jo'
I/) = max(M)
[0045]四.确定最优参数。
[0046]将经过遗传算法和模态分析得到优化的刀具参数，即获得优化的刀具几何尺寸(或刀具结构)。刀具材质:硬质合金。应用范围:蜂窝复合材料以及纤维、皮革等材料的切割。
【权利要求】
1.一种基于模态分析的超声切削刀具设计方法，其特征在于包括以下步骤: 步骤一、根据超声振动切削系统的特性，在加工前进行模态分析，确定系统工作频率f0 ； 步骤二、根据刀具类型和结构，在保证加工要求的前提下，确定待优化的刀具参数变量，设定初始参数值；如果加工的是切除材料，设定可变参数为三个边长和切刀的厚度；如果加工的是孔，钻头直径保持不变，设定可变参数有钻头的长度、螺旋槽的长度和刀柄的直径; 步骤三、采用遗传算法对步骤二中的可变参数进行优化运算，优化后的刀具可变参数结果供步骤四使用； 步骤四、根据步骤三得出优化后的刀具可变参数，对超声振动切削系统进行模态分析，即获得所需振型的第一固有频率f和振幅，并验证目标变量a的符合程度:ja = m\n\f~f0\
}/) - max(A/) 式中，a表示第一固有频率和超声振动切削系统的工作频率之间的差；b表示刀具尖端位移放大倍数的最大值…表示刀具尖端位移的放大倍数； 步骤五、经过步骤三和步骤四的反复运算操作，得出最符合设计要求的结果，输出优化后的刀具参数。
【文档编号】G06N3/12GK104318007SQ201410557508
【公开日】2015年1月28日 申请日期:2014年10月20日 优先权日:2014年10月20日
【发明者】田锡天, 陈龙, 车武军 申请人:西北工业大学