摘 要：本文结合数控机床进给机构常规设计技术方案，提出一种数控机床进给机构智能设计优化系统，以促进数控机床智能化实现同时加工制造精度提升，并通过实例分析，对其可行性进行验证。
关键词：数控机床；进给机构；智能设计；优化系统
进给机构作为数控机床加工中进行工件往复移动作用支持的重要机构装置，在数控机床加工精度上具有非常重要的作用和影响。因此，数控机床自动化与智能化发展影响下，针对数控机床进给机构智能设计优化系统开展研究，在满足数控机床进给机构智能化要求的同时，促进其加工精度不断提升，以推进机械加工制造业发展和进步，具有非常积极的作用和意义。下文将结合数控机床进给机构常规设计的技术方案，提出一种数控机床进给机构智能设计优化系统，在满足数控机床进给机构智能化设计要求同时，促进其加工应用精度效果提升，并通过实例分析，对其可行性进行验证。
1 数控机床进给机构智能设计的研究现状分析
随着数控机床智能化与自动化技术水平的不断提升，进给机构作为数控机床加工工件往复移动作用支持机构，其系统性能及智能化水平，对数控机床加工精度与智能化发展等，都有着非常重要的作用和影响。结合当前针对数控机床进给机构智能设计的研究现状来看，其在数控机床加工过程中的性能优化设计多从受力因素上进行设计优化，对温度场在机械性能上的作用影响考虑较少，比如，有研究通过对有限元分析法应用，实现数控机床进给机构动态模型构建，以进行进给机构结合面联接件位置与数量进行优化设计，以实现进给机构机械性能的优化提升。此外，还有研究通过序列二次规划方法进行数控机床进给机构结构优化，以实现其动态性能及高精度设计要求优化提升；或者是应用CAD/CAE技术进行数控机床进给机构模型构建，在对其结构关键参数识别分析基础上，实现一种更高的进给机构动态性能优化方案设计应用。最后，还有研究显示，应用有限元分析软件进行数控机床横梁进给系统动静态性能分析，在对其薄弱环节进行有效识别分析基础上，实现十字滑座筋板结构优化设计等等，都是针对数控机床進给机构加工应用机械性能，对其影响因素进行完善改进，以促进其结构性能优化提升的常规研究方案。
需要注意的是，数控机床进给机构加工过程中，不仅需要对轴承-丝杠、丝杠-螺母、导轨-滑块等构件相对运动所产生的热作用进行承受，同时还需要承担进给例以及重力等作用，因此，其加工运行中需要对承担受热与力的双重作用，而上述研究中只针对其受力作用及有关因素进行研究，针对受热作用及影响的研究较少，导致其结构性能优化提升效果并不完善。针对这种情况，下文将以常规设计技术方案为基础，从受热和力的双重作用影响上考虑，进行多软件集成CAD/CAE协同优化软件平台水，以进行数控机床进给机构智能设计优化系统研究，以为相关实践及研究提供参考。
2 数控机床进给机构智能设计优化系统方案分析
2.1 系统结构框架
数控机床进给机构智能设计优化系统建立中，根据其任务目标，主要包含设计需求分析与CAD参数化建模、热-力耦合仿真及多目标优化、零部件结构设计等，因此，进行该系统模型建立时，其结构框架需要包含需要分析以及常规设计、智能优化、设计资源中心等不同结构模块，以满足其系统构建与设计应用的任务目标。如下图1所示，即为该数控机床进给机构智能设计优化系统的结构框架。
该系统结构中，需求分析模块是用于进行数控机床用户需求信息获取，并在进给机构智能设计中进行有效运用，其中，用户需求信息包含零部件的约束形式以及材料属性参数、几何拓扑关系、进给运动参数等，具体应用方法为根据所获取的而用户需求参数，由系统在进行用户输入进给工作条件包含进给推力、结构布局、功率等设计分析与运用情况下，满足数控机床进给机构总体设计需求。此外，常规设计结构模块中采用传统机械设计方法对数控机床进给机构零部件参数进行确定，其中包括零部件尺寸以及轴承刚度、预紧力、进给行程等等，并根据进给机构零部件装配关系在已知参数基础上对其他结构参数进行计算获取，根据材料力学有关知识对其结构强度与刚度等性能指标进行计算校验，从而确定进给机构初始设计方案。其次，数控机床进给机构智能设计优化系统的智能优化结构模块在设计运用中，用于进行数控机床进给机构三维建模、有限元分析、多目标智能优化以及热-力耦合分析等，在根据常规设计模块设计形成的初始设计方案，应用Pro/E软件进行进给机构三维参数模型创建并导入ANSYS软件后，对数控机床进给机构受力以及热源、约束条件等进行综合考虑后进行有限元模型构建，并实现进给机构的动静态性能有限元分析与热-力耦合仿真研究，并结合研究分析结果进行多目标优化模型构建与智能优化计算求解，进而获取最终确定的优化方案及报告结果。最后，数控机床进给机构智能设计优化系统的设计资源中心模块，主要包含材料参数库以及图形数据库、设计方法库、工艺知识库、约束规则库等数据资源库，是整个数控机床进给机构智能设计优化系统的数据信息支持血中心，能够为设计提供各种数据信息支持，同时对设计优化数据资料进行存储应用。
2.2 智能设计优化计算方法
该数控机床进给机构智能设计优化系统在进行设计优化计算中，是针对常规设计的初始设计方案通过灵敏度分析与BP神经网络算法、遗传算法等计算方式结合运用基础上，实现多目标优化分析，从而实现最终优化方案的报告生成。如下（1）所示，即为该系统优化计算数学模型，其中，为设计变量，为目标函数，、则分别为约束函数与等式约束函数，、表示设计变量的上下限。
（1）
根据上述数学计算模型，在对优化目标函数（即从轻量化与高抗振性、最优热-力耦合性原则上进行系统结构及性能设计分析）、约束条件、设计变量等进行综合考虑分析后，通过代入计算模型，采用BP神经网络与遗传算法、正交试验分析对其结果进行计算分析，以获取最优计算结果。如下（2）所示，即为该数控机床进给机构智能设计优化系统的约束条件。其中，表示机床进给机构的最大热-力耦合应力，而 表示拖板材料允许应力大小。
（2）
如下图2所示，即为根据BP神经网络与遗传算法等计算方法所构建神经网络模型，并通过遗传算法与正交试验分析结果实现最优目标解优化分析的具体过程。
根据上述对数控机床进给机构智能设计优化系统方案研究，以某航空零件高效精密加工数控机床Y轴进给机构为例，按照上述系统智能设计优化方案进行试验分析，并将其动态性能参数试验结果与智能优化结构进行对比显示，其智能优化结果与试验结果之间误差较小，表明该方案在数控机床进给机构智能优化设计实践中具有可行性。如下图3所示，即为该方案的实例运用优化分析过程。
3 结束语
总之，进行数控机床进给机构智能设计优化系统研究，有利于满足数控机床进给机构多样化设计需求，促进其在实践中的推广应用，进而促进数控机床进给机构性能的优化提升，确保机床加工精度及性能要求。
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