面向对象的精密机床主轴多目标优化设计CAD系统
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摘要
本论文通过对精密机床主轴系统的优化设计技术和CAD技术的系统研究，提出了一种将力学模型分析、优化设计方法、产品模型数据管理和图形绘制结合在一起的机床主轴多目标优化设计的CAD软件系统模型。本系统采用面向对象的设计技术，实现较强的人机交互功能，自动生成力学分析模型、优化设计模型和图形绘制与输出三个子模型，将力学模型分析、优化设计、图形绘制与输出三部分结合在一起，并将优化设计结果形成文档或输出，体现了智能化设计的功能。
第一章介绍了机床主轴系统优化设计技术和CAD技术在国内外的现状、应用及发展趋势，分析了目前的技术状态及存在的问题，提出了本课题的研究内容，给出了本文的设计框架。
第二章分析了目前CAD技术的发展状况及发展趋势，权衡利弊，确定了采用VB技术对AutoCAD基于ActiveⅩ Automation技术的二次开发，提出了设计方案和解决措施。
第三章深入的研究了目前国内外在机床主轴系统优化设计方面的技术状态，客观的评价它们在设计方面的优缺点，从建立较为接近主轴系统实际情况的“卸积木式”力学模型入手，选择易于在微机上实现分析计算和优化的数学方法，建立多支承变截面机床主轴系统静特性参数分析与优化及计算机模拟的通用程序。
第四章和第五章详细的阐述了力学模型分析、优化方法分析、和图纸绘制三个子模型，通过对机床主轴二维垂直剖面力学模型的精、动特性分析，确定采用复合行法作为优化设计方法寻求主轴设计的优化方案，编制相应的优化程序，并将优化设计结果和图纸形成文档或输出，提出了产品设计模型的概念。
第六章总结了本课题的成果，对课题的发展方向和要解决的问题进行了展望，并对后续的工作做了分析，提出了几点建议。
由于作者才疏学浅，文中难免存在不少错误和不足之处，敬请批评指正。
A CAD system model on the optimization of machine-tool spindle including mechanics model analysis, optimization method, product data management and drawing creation is proposed. Based on OOP technology, it can create mechanics analysis model, optimization model, layout drawing and print with friendly interface automatically, embodied the thinking of agent design.
Chapter 1 is a brief introduction on the optimization technology of machine-tool spindle as well as the application and development trend of CAD tech. Based on the brief analysis of current technology's advantage and deficiency, the topic and framework of this issue is proposed.
Chapter 2 investigate the current optimization technology of machine-tool spindle system in detail and evaluated the advantage and deficiency objectively. Used the disassembling toy-bricks mechanics model which is more similar to the factual system and the analysis and optimization algorithm easy to be realized on PC, the program on character analysis and emulation of the multi-bearing meta-section machine-tool spindle is created.
In chapter 3 a particular analysis on the application and development trend of CAD technology is made and VB programming is selected as the tool of AutoCAD development based on ActiveX Automation. The design scheme and method is also proposed.
Chapter 4 and 5 expatiate the three sub-schemas: mechanics model, optimization analysis, drawing layout and output. Based on the analysis on exact character and dynamic-properties of machine-tool spindle's section model, multi-line method is selected as the optimization scheme and the program was writed. The optimization result and final drawing can be got in hard-copy. In addition the concept of product design model is proposed.
Chapter 6 is a conclusion of this issue, put forward the future trend, point out some key problems in development and give some suggestions .
第一章介绍了机床主轴系统优化设计技术和CAD技术在国内外的现状、应用及发展趋势，分析了目前的技术状态及存在的问题，提出了本课题的研究内容，给出了本文的设计框架。
第二章分析了目前CAD技术的发展状况及发展趋势，权衡利弊，确定了采用VB技术对AutoCAD基于ActiveⅩ Automation技术的二次开发，提出了设计方案和解决措施。
第三章深入的研究了目前国内外在机床主轴系统优化设计方面的技术状态，客观的评价它们在设计方面的优缺点，从建立较为接近主轴系统实际情况的“卸积木式”力学模型入手，选择易于在微机上实现分析计算和优化的数学方法，建立多支承变截面机床主轴系统静特性参数分析与优化及计算机模拟的通用程序。
第四章和第五章详细的阐述了力学模型分析、优化方法分析、和图纸绘制三个子模型，通过对机床主轴二维垂直剖面力学模型的精、动特性分析，确定采用复合行法作为优化设计方法寻求主轴设计的优化方案，编制相应的优化程序，并将优化设计结果和图纸形成文档或输出，提出了产品设计模型的概念。
第六章总结了本课题的成果，对课题的发展方向和要解决的问题进行了展望，并对后续的工作做了分析，提出了几点建议。
由于作者才疏学浅，文中难免存在不少错误和不足之处，敬请批评指正。
A CAD system model on the optimization of machine-tool spindle including mechanics model analysis, optimization method, product data management and drawing creation is proposed. Based on OOP technology, it can create mechanics analysis model, optimization model, layout drawing and print with friendly interface automatically, embodied the thinking of agent design.
Chapter 1 is a brief introduction on the optimization technology of machine-tool spindle as well as the application and development trend of CAD tech. Based on the brief analysis of current technology's advantage and deficiency, the topic and framework of this issue is proposed.
Chapter 2 investigate the current optimization technology of machine-tool spindle system in detail and evaluated the advantage and deficiency objectively. Used the disassembling toy-bricks mechanics model which is more similar to the factual system and the analysis and optimization algorithm easy to be realized on PC, the program on character analysis and emulation of the multi-bearing meta-section machine-tool spindle is created.
In chapter 3 a particular analysis on the application and development trend of CAD technology is made and VB programming is selected as the tool of AutoCAD development based on ActiveX Automation. The design scheme and method is also proposed.
Chapter 4 and 5 expatiate the three sub-schemas: mechanics model, optimization analysis, drawing layout and output. Based on the analysis on exact character and dynamic-properties of machine-tool spindle's section model, multi-line method is selected as the optimization scheme and the program was writed. The optimization result and final drawing can be got in hard-copy. In addition the concept of product design model is proposed.
Chapter 6 is a conclusion of this issue, put forward the future trend, point out some key problems in development and give some suggestions .
引文
【1】 Harris T A, Rolling bear analysis[M].New Youk:John Wiley&Sons, Inc.,1984
【2】 H.R. EL—SAYED, Optimum Nose Stiffness of Stepped Machine Tool Spindles, Wear, 63(1980)231-237
【3】 陈宗农 郭明 董荣歌等，角接触球轴承的静刚度计算，轴承，1993，(3)：9—12
【4】 郭明 陈宗农 王庆九，精密机床主轴轴承的预紧力，工程设计，2001年6月第2期
【5】 杨叔子，机床两支承主轴部件静刚度分析与计算，机床，1979、3
【6】 徐侠，卸荷主轴的刚度计算，机床，1983、5
【7】 高斌 李冬霞 王冠中，关于机床主轴部件静刚度的再研究，机械研究与应用，1996 No．1
【8】 喻丽华，传递矩阵法分析计算机床主轴刚度，贵州工业大学学报，Vol．30 No．4 Aug．2001
【9】 张宇，机床主轴部件的有限元模型，机械设计与制造，Oct．2000 No．5
【10】 杜玉波 王福厚 张魁林 沈滢，机床主轴部件刚度的一种精确的计算方法，沈阳工业学院学报，1997年6月第15卷 第2期
【11】 王寒枫，机床主轴部件计算机辅助设计的研究，设计与计算，2000
【12】 段华荣等，机床主轴有限元法动态分析及CAD，机械产品与科技，1998．1
【13】 方英武 张广鹏 傅卫平，基于遗传算法的机床主轴结构静态优化设计，郑州工业大学学报，2000年3月第21卷 第1期
【14】 阎树田 龚俊 张思成，计算主轴最佳跨距的新方法，机械设计与制造，Oct．2001 No．5
【15】 夏伯雄，美国面向21世纪的机床主轴组件，上海机床，2001年第1期
【16】 王国锋 章青，机床主轴设计的二次优化法，制造技术与机床，1999，(2)：15—16
【17】 毕善斌，应用优化方法解决主轴设计问题的一种探讨，机床，1986、1
【18】 郑康平 吴坚 陈桦 王小椿，弧面分度凸轮专用机床主轴的多目标优化设计研究，机床与液压，2000．No．6
【19】 李熙亚 王卫平，机械优化设计的遗传惩罚复合法，组合机床与自动化加工技术，2002、2
【20】 何敏禄 展进 王健民，椭圆轴承多目标模糊优化设计，机械设计与制造，Aug 2000 No．4
【21】 熊矢，锥蜗杆传动的多目标优化设计，机械传动，2002年第26卷第2期
【22】 傅晓锦，机床主轴多目标优化设计，机床与液压，1999．No．6
【23】 冯志友 贾宇波，机床主轴计算机优化设计新算法，组合机床与自动化加工技术，2001年第2期
【24】 储开宇，杜必强，段松屏，机床主轴参数的优化设计，水利电力机械，2000年2月
【25】 邵建敏 张学昌 阎玉光，机械多目标优化设计中的权值确定，郑州轻工业学院学报，第16卷第2期2001年6月
【26】 王鸿智，金属切削机床主轴的优化设计，内蒙古林学院学报，第2期1997年6月
【27】 朱学军等，利用神经网络实现复杂结构的多目标优化设计，机械科学与技术，第19卷第3期2000年5月
【28】 刘文清，螺旋弹簧可靠性多目标优化设计，山西机械，第1期(总第110期)2001年3月
【29】 赵相松 徐燕伸，数控机床主轴单元的动态优化设计，机械设计，1995 No．6
【30】 朱文坚 刘建素 陈东，遗传算法在多目标优化设计中的应用研究，机械工程师，2001年12月
【31】 刘雪美，李进京，李光提，郭炳辉，滑动轴承的多目标优化设计，农机化研究，2000年8月第3期
【32】 孙靖民，机械优化设计，北京：机械工业出版社，1996
【33】 陈秀宁，机械优化设计，浙江：浙江大学出版社，1991
【34】 苏德洋，现代优化设计，上海：上海交通大学出版社，1996
【35】 王国彪，机械优化设计方法微机程序与应用，北京：机械工业出版社，1994
【36】 GEORGE J·BATORI, Critical Speed for Cantilever Shafts, Machine Design, Tune 28.1973
【37】 关志超，机械CAD中标准件数据的读取及参数化图形的实现，武汉科技大学学报，Vol．24．No．3 Sep．2001
【38】 苗鸿宾，AutoCAD环境下四杆机构的运动仿真研究，机械管理开发，2002年8月Aug．2002
【39】 廖念禾 余凯，用AutoCAD2000进行机械二维图形的设计，四川农业大学学报，Vol．20 No．2 Jun．2002
【40】 钱峰，张家宁，Visual Basic ActiveX技术二次开发AutoCAD，芜湖职业技术学院学报，No．4．Vol．3 Dec．2001
【41】 陈杰，机床主轴组件CAD，鞍山钢铁学院学报，第20卷 第3期 1997年6月
【42】 丁春 丁晓玲，基于Java的AutoCAD二次开发新技术，研究与开发，No．12．2001
【43】 刘良华 袁英战 朱东海，面向对象技术在AutoCAD 2000开发中的应用，计算机维护，2001年9月
【44】 朱颖，用VISUAL FOXPRO语言开发轴承绘图软件，轴承，2001．No．3
【45】 丁伟，用Visual Basic对AutoCAD进行二次开发，经验与技巧，No．4 2001
【46】 吴鉴，AutoCAD和Pro／E之间的数据交换，煤炭技术，第20卷第2期2001年2月
【47】 黄玲，用Delphi进行AutoCAD二次开发的研究
【48】 高荣慧 刘红卫 柯尊忠，机床主轴单元的数据结构及其通讯技术，合肥工业大学学报，第24卷第3期2001年6月
【49】 程学忠，用AUTOLISP语言编程绘制三维图，物探化探计算技术，第23卷第1期2001年2月
【50】 王成志 陈飞燕 黄凯旋，基于AutoCAD的机构仿真和运动线图绘制VBA程序设计，机械与电子，2002(4)
【51】 梁洁萍，基于AutoCAD VB语言环境下量规的计算机辅助设计，机床与液压，2002．No．4
【52】 陈继民 左铁钏，基于AutoCAD的用户界面设计，制造业自动化，2000 Vol．22 No．12 P．56-58．
【53】 毕英民 翟继伟，VB对AutoCAD的二次开发方法介绍，电脑学习，2001 No．1 P．29-30
【54】 刘幼民，基于AutoCAD ActiveX开发图形数据库查询系统，河南科学，2201 Vol．19 No．2 P．166-169
【55】 陈家祯 林艳钦，AutoCAD二次开发平台与开发实例，计算机与现代化，2001 No．2 P．103-106
【56】 兰文祥 石志寒 李卫忠 高鹏，基于C++ Builder的AutoCAD二次开发，计算机应用，2001 Vol．21 No．3 P．83-84
【57】 吴雅君 王雪英 耿利，基于AutoCAD的参数化CAD系统的接口技术，辽宁工学院学报，2001 Vol．21 No．4 P．25-27
【58】 巫付专 李玉玲，基于VB AutoCAD二次开发技术的产品结构设计，成组技术与现代化，2001 Vol．18 No．4 P．50-52
【59】 张广宇 高玉亮 刘淑静，用VBA二次开发AutoCAD的探讨，哈尔滨商
业大学学报，2001 Vol．17 No．4 P．47-49
【60】 徐啸峰 周儒荣 周来水，智能CAD中的产品设计知识研究，计算机辅助工程，No．3 Sep．2002
【61】 罗丹，基于VBA的参数化图库，常德师范学院学报，2001 Vol．12 No．4 P．49-51
【62】 彭祥云，刘斌，Pro／E与AutoCAD之间图样转化，现代制造工程，2001 No．12 P．48-49
【63】 戴晶，郭海英，钟廷修，用VB开发AutoCAD中的一些问题，计算机应用，2001 Vol．21 No．12 P．90-91
【64】 刘先进，王培俊，吴鹿鸣，应用VB开发AutoCAD2000环境下的参数化图库，机械，2001 Vol．28 No．z1 P．107-108
【65】 S．P．TIMOSHENKO，材料力学
【2】 H.R. EL—SAYED, Optimum Nose Stiffness of Stepped Machine Tool Spindles, Wear, 63(1980)231-237
【3】 陈宗农 郭明 董荣歌等，角接触球轴承的静刚度计算，轴承，1993，(3)：9—12
【4】 郭明 陈宗农 王庆九，精密机床主轴轴承的预紧力，工程设计，2001年6月第2期
【5】 杨叔子，机床两支承主轴部件静刚度分析与计算，机床，1979、3
【6】 徐侠，卸荷主轴的刚度计算，机床，1983、5
【7】 高斌 李冬霞 王冠中，关于机床主轴部件静刚度的再研究，机械研究与应用，1996 No．1
【8】 喻丽华，传递矩阵法分析计算机床主轴刚度，贵州工业大学学报，Vol．30 No．4 Aug．2001
【9】 张宇，机床主轴部件的有限元模型，机械设计与制造，Oct．2000 No．5
【10】 杜玉波 王福厚 张魁林 沈滢，机床主轴部件刚度的一种精确的计算方法，沈阳工业学院学报，1997年6月第15卷 第2期
【11】 王寒枫，机床主轴部件计算机辅助设计的研究，设计与计算，2000
【12】 段华荣等，机床主轴有限元法动态分析及CAD，机械产品与科技，1998．1
【13】 方英武 张广鹏 傅卫平，基于遗传算法的机床主轴结构静态优化设计，郑州工业大学学报，2000年3月第21卷 第1期
【14】 阎树田 龚俊 张思成，计算主轴最佳跨距的新方法，机械设计与制造，Oct．2001 No．5
【15】 夏伯雄，美国面向21世纪的机床主轴组件，上海机床，2001年第1期
【16】 王国锋 章青，机床主轴设计的二次优化法，制造技术与机床，1999，(2)：15—16
【17】 毕善斌，应用优化方法解决主轴设计问题的一种探讨，机床，1986、1
【18】 郑康平 吴坚 陈桦 王小椿，弧面分度凸轮专用机床主轴的多目标优化设计研究，机床与液压，2000．No．6
【19】 李熙亚 王卫平，机械优化设计的遗传惩罚复合法，组合机床与自动化加工技术，2002、2
【20】 何敏禄 展进 王健民，椭圆轴承多目标模糊优化设计，机械设计与制造，Aug 2000 No．4
【21】 熊矢，锥蜗杆传动的多目标优化设计，机械传动，2002年第26卷第2期
【22】 傅晓锦，机床主轴多目标优化设计，机床与液压，1999．No．6
【23】 冯志友 贾宇波，机床主轴计算机优化设计新算法，组合机床与自动化加工技术，2001年第2期
【24】 储开宇，杜必强，段松屏，机床主轴参数的优化设计，水利电力机械，2000年2月
【25】 邵建敏 张学昌 阎玉光，机械多目标优化设计中的权值确定，郑州轻工业学院学报，第16卷第2期2001年6月
【26】 王鸿智，金属切削机床主轴的优化设计，内蒙古林学院学报，第2期1997年6月
【27】 朱学军等，利用神经网络实现复杂结构的多目标优化设计，机械科学与技术，第19卷第3期2000年5月
【28】 刘文清，螺旋弹簧可靠性多目标优化设计，山西机械，第1期(总第110期)2001年3月
【29】 赵相松 徐燕伸，数控机床主轴单元的动态优化设计，机械设计，1995 No．6
【30】 朱文坚 刘建素 陈东，遗传算法在多目标优化设计中的应用研究，机械工程师，2001年12月
【31】 刘雪美，李进京，李光提，郭炳辉，滑动轴承的多目标优化设计，农机化研究，2000年8月第3期
【32】 孙靖民，机械优化设计，北京：机械工业出版社，1996
【33】 陈秀宁，机械优化设计，浙江：浙江大学出版社，1991
【34】 苏德洋，现代优化设计，上海：上海交通大学出版社，1996
【35】 王国彪，机械优化设计方法微机程序与应用，北京：机械工业出版社，1994
【36】 GEORGE J·BATORI, Critical Speed for Cantilever Shafts, Machine Design, Tune 28.1973
【37】 关志超，机械CAD中标准件数据的读取及参数化图形的实现，武汉科技大学学报，Vol．24．No．3 Sep．2001
【38】 苗鸿宾，AutoCAD环境下四杆机构的运动仿真研究，机械管理开发，2002年8月Aug．2002
【39】 廖念禾 余凯，用AutoCAD2000进行机械二维图形的设计，四川农业大学学报，Vol．20 No．2 Jun．2002
【40】 钱峰，张家宁，Visual Basic ActiveX技术二次开发AutoCAD，芜湖职业技术学院学报，No．4．Vol．3 Dec．2001
【41】 陈杰，机床主轴组件CAD，鞍山钢铁学院学报，第20卷 第3期 1997年6月
【42】 丁春 丁晓玲，基于Java的AutoCAD二次开发新技术，研究与开发，No．12．2001
【43】 刘良华 袁英战 朱东海，面向对象技术在AutoCAD 2000开发中的应用，计算机维护，2001年9月
【44】 朱颖，用VISUAL FOXPRO语言开发轴承绘图软件，轴承，2001．No．3
【45】 丁伟，用Visual Basic对AutoCAD进行二次开发，经验与技巧，No．4 2001
【46】 吴鉴，AutoCAD和Pro／E之间的数据交换，煤炭技术，第20卷第2期2001年2月
【47】 黄玲，用Delphi进行AutoCAD二次开发的研究
【48】 高荣慧 刘红卫 柯尊忠，机床主轴单元的数据结构及其通讯技术，合肥工业大学学报，第24卷第3期2001年6月
【49】 程学忠，用AUTOLISP语言编程绘制三维图，物探化探计算技术，第23卷第1期2001年2月
【50】 王成志 陈飞燕 黄凯旋，基于AutoCAD的机构仿真和运动线图绘制VBA程序设计，机械与电子，2002(4)
【51】 梁洁萍，基于AutoCAD VB语言环境下量规的计算机辅助设计，机床与液压，2002．No．4
【52】 陈继民 左铁钏，基于AutoCAD的用户界面设计，制造业自动化，2000 Vol．22 No．12 P．56-58．
【53】 毕英民 翟继伟，VB对AutoCAD的二次开发方法介绍，电脑学习，2001 No．1 P．29-30
【54】 刘幼民，基于AutoCAD ActiveX开发图形数据库查询系统，河南科学，2201 Vol．19 No．2 P．166-169
【55】 陈家祯 林艳钦，AutoCAD二次开发平台与开发实例，计算机与现代化，2001 No．2 P．103-106
【56】 兰文祥 石志寒 李卫忠 高鹏，基于C++ Builder的AutoCAD二次开发，计算机应用，2001 Vol．21 No．3 P．83-84
【57】 吴雅君 王雪英 耿利，基于AutoCAD的参数化CAD系统的接口技术，辽宁工学院学报，2001 Vol．21 No．4 P．25-27
【58】 巫付专 李玉玲，基于VB AutoCAD二次开发技术的产品结构设计，成组技术与现代化，2001 Vol．18 No．4 P．50-52
【59】 张广宇 高玉亮 刘淑静，用VBA二次开发AutoCAD的探讨，哈尔滨商
业大学学报，2001 Vol．17 No．4 P．47-49
【60】 徐啸峰 周儒荣 周来水，智能CAD中的产品设计知识研究，计算机辅助工程，No．3 Sep．2002
【61】 罗丹，基于VBA的参数化图库，常德师范学院学报，2001 Vol．12 No．4 P．49-51
【62】 彭祥云，刘斌，Pro／E与AutoCAD之间图样转化，现代制造工程，2001 No．12 P．48-49
【63】 戴晶，郭海英，钟廷修，用VB开发AutoCAD中的一些问题，计算机应用，2001 Vol．21 No．12 P．90-91
【64】 刘先进，王培俊，吴鹿鸣，应用VB开发AutoCAD2000环境下的参数化图库，机械，2001 Vol．28 No．z1 P．107-108
【65】 S．P．TIMOSHENKO，材料力学