基于人机工程学的数控机床耦合仿生优化设计方法研究

In current, most chinese CNC machine tools' dynamic and static performances have large gap comparing with the similar foreign products, and the CNC machine tools users’ human-centered design demand are ignored, it results in that the domestic CNC machine tools’ overall competitiveness is relatively low. In order to solve the above problem, this project intends to adopt ergonomics and coupling bionics to study collaborative optimization design method for CNC machine tools. Conducting field research on the production floor, the CNC machine tools’ "man-machine-environment" interaction mechanism is built by combining with ergonomic, and then the CNC ergonomic design criteria is obtained. Taking the coupling bionics as theoretical basis, the biological structures "morphology-structure-function-adaptive growth" multiple coupling mechanism is studied, and the mechanical performance benefits structure is extracted, then the CNC machine tools’ structural coupling bionic design technology is obtained by combining with the similarity principle. Combination of CNC machine tools’ ergonomic design criteria and coupling bionic design technology, and considering the CNC machine tool performance’s interaction and coupling mechanisms, a new multi-objective optimization design method is obtained, which is verified through CNC machine tools’ prototype experiments. This project proposed a new optimization design method for CNC machine tools that not only can help to improve the whole machine’s dynamic and static performance, but also adopts the "man-oriented" design concept, so its application prospect is rather good.

当前我国多数的数控机床不仅动静态性能与国外同类产品存在较大差距，而且忽略了用户对数控机床越来越高的人性化设计需求，导致国产数控机床的综合竞争力相对低下。为了解决以上问题，本项目拟采用人机工程学和耦合仿生学来研究数控机床协同优化设计方法。对生产车间进行实地调研，结合人机工程学建立数控机床的“人-机-环境”交互作用机制，进而得到数控机床人机工程设计准则；以耦合仿生学为理论基础，研究生物结构的“形态-结构-功能-自适应生长”多元耦合机理，提取其力学性能优势结构，结合相似性原理获取数控机床结构耦合仿生设计技术；将所得到的数控机床人机工程设计准则和耦合仿生设计技术有机结合，考虑数控机床各性能之间的相互影响及耦合机制，形成一种新的多目标协同优化设计方法，并通过数控机床的样机进行实验验证。本项目所提出的数控机床优化设计新方法不仅有利于提高整机的动静态性能，而且融入了“以人为本”的设计理念，应用前景良好。

随着我国航空航天、海洋工程装备、船舶、高铁、汽车等先进制造业的蓬勃发展，对各种复杂零部件的加工需求日益增加，导致数控机床的市场需求量不断攀升。然而，当前我国多数的数控机床不仅动静态性能与国外同类产品存在较大差距，而且忽略了用户对数控机床越来越高的人性化设计需求，导致国产数控机床的综合竞争力相对低下。为了解决以上问题，本项目研究了基于人机工程学和耦合仿生学的数控机床协同优化设计方法。对生产车间进行实地调研，结合人机工程学建立数控机床的“人-机-环境”交互作用机制，得到了数控机床人机工程设计准则；以耦合仿生学为理论基础，研究生物结构的“形态-结构-功能-自适应生长”多元耦合机理，提取其力学性能优势结构，得到了数控机床结构耦合仿生设计技术；将研究得到的数控机床人机工程设计准则和耦合仿生设计技术有机结合，考虑数控机床各性能之间的相互影响及耦合机制，形成一种新的多目标协同优化设计方法。将所提出的方法用来进行龙门机床滑座的多目标优化设计，在计算机辅助工程分析(CAE)的基础上,建立了响应面优化模型, 使用粒子群优化算法获得五组非劣解，利用灰色关联分析方法从中筛选出最佳方案，从而使滑座的动静态性能得到提高。在CAD/CAE集成设计平台下，对一种五轴卧式加工中心的摇篮座进行静力学有限元分析和灵敏度分析，找出其薄弱部位，针对薄弱环节进行多目标优化设计，得到六组非劣解，在所得六组优化设计方案和原方案中，运用模糊物元法和熵权法进行决策，获得最佳摇篮座设计方案，从而使摇篮座的质量减轻、最大变形减小。设计了一种合理的加工中心附件头主轴定位结构，使附件头上主轴输出键槽位置固定，并处在与主轴输出键相配合的位置，使加工中心能顺利完成更换附件头动作，从而使机床的操作更加符合人机工程学原理，提高了机床使用的舒适性。本项目所提出的数控机床优化设计新方法不仅有利于提高整机的动静态性能，而且融入了“以人为本”的设计理念，应用前景良好。