一種機(jī)床整機(jī)靜剛度的優(yōu)化設(shè)計(jì)方法
【專利摘要】本發(fā)明公開(kāi)了一種機(jī)床整機(jī)靜剛度的優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，包括以下步驟：應(yīng)用Pro/E軟件建立機(jī)床整機(jī)簡(jiǎn)化模型；將機(jī)床簡(jiǎn)化模型導(dǎo)入SAMCEF軟件中，建立整機(jī)有限元模型；對(duì)整機(jī)大件結(jié)構(gòu)剛度特性進(jìn)行參數(shù)化，確定設(shè)計(jì)參數(shù)和設(shè)計(jì)空間；應(yīng)用中心復(fù)合試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法選取有限元分析的試驗(yàn)樣本點(diǎn)；對(duì)試驗(yàn)樣本點(diǎn)進(jìn)行有限元分析，得到樣本點(diǎn)的整機(jī)靜剛度響應(yīng)值；建立大件結(jié)構(gòu)剛度特性參數(shù)與機(jī)床整機(jī)靜剛度的響應(yīng)面模型；分析各大件結(jié)構(gòu)剛度對(duì)機(jī)床整機(jī)靜剛度的靈敏度，確定靜剛度薄弱環(huán)節(jié)，進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。本發(fā)明通過(guò)有效地確定機(jī)床整體各結(jié)構(gòu)對(duì)機(jī)床整機(jī)靜剛度的靈敏度及發(fā)現(xiàn)制約機(jī)床靜剛度提高的薄弱環(huán)節(jié)，為機(jī)床結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)提供重要的依據(jù)以及指導(dǎo)設(shè)計(jì)人員對(duì)機(jī)床薄弱大件結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)。
【專利說(shuō)明】一種機(jī)床整機(jī)靜剛度的優(yōu)化設(shè)計(jì)方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種機(jī)床整機(jī)靜剛度的優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，特別是涉及一種面向提高機(jī)床 靜剛度的確定整機(jī)薄弱環(huán)節(jié)與優(yōu)化設(shè)計(jì)的方法。

【背景技術(shù)】
[0002] 機(jī)床整機(jī)是由主軸箱、立柱、床身和工作臺(tái)等大件串聯(lián)組成的系統(tǒng)，各大件的靜剛 度特性都會(huì)對(duì)整機(jī)靜剛度產(chǎn)生影響。目前，當(dāng)機(jī)床靜剛度不足時(shí)，對(duì)于機(jī)床整機(jī)薄弱大件的 尋找和優(yōu)化，局限于對(duì)整機(jī)進(jìn)行有限元分析，從機(jī)床整體的角度分析機(jī)床的變形情況，難以 衡量各大件結(jié)構(gòu)剛度對(duì)整機(jī)靜剛度的貢獻(xiàn)率，從而導(dǎo)致機(jī)床設(shè)計(jì)人員難以發(fā)現(xiàn)整機(jī)結(jié)構(gòu)的 薄弱環(huán)節(jié)及對(duì)相應(yīng)的結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)從而有針對(duì)性的對(duì)機(jī)床大件結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，因此耗 費(fèi)設(shè)計(jì)人員大量時(shí)間和精力。
[0003] 為了提高整機(jī)的靜剛度，應(yīng)提高對(duì)整機(jī)靜剛度影響較大且制約整機(jī)靜剛度的薄弱 大件的靜剛度特性。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 為了克服上述現(xiàn)有技術(shù)存在的問(wèn)題，本發(fā)明提出了一種機(jī)床整機(jī)靜剛度的優(yōu)化設(shè) 計(jì)方法，在二階響應(yīng)面模型的基礎(chǔ)上，通過(guò)分析可得到各大件剛度對(duì)整機(jī)靜剛度的靈敏度， 確定對(duì)整機(jī)靜剛度影響最大的結(jié)構(gòu)，發(fā)現(xiàn)靜剛度薄弱環(huán)節(jié)，進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)；通過(guò)對(duì)機(jī)床靜剛 度的優(yōu)化設(shè)計(jì)，可以提高整機(jī)末端靜剛度值，減小實(shí)際加工中機(jī)床的受力變形，提高零件的 加工質(zhì)量。
[0005] 本發(fā)明提出了一種機(jī)床整機(jī)靜剛度的優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，該方法包括以下步驟：
[0006] 步驟1、在Pro/E軟件中建立機(jī)床整機(jī)簡(jiǎn)化模型；
[0007] 步驟2、將機(jī)床簡(jiǎn)化模型導(dǎo)入SAMCEF軟件中，建立整機(jī)有限元模型；
[0008] 步驟3、對(duì)整機(jī)大件結(jié)構(gòu)剛度特性進(jìn)行參數(shù)化，確定設(shè)計(jì)參數(shù)和設(shè)計(jì)空間；
[0009] 步驟4、應(yīng)用中心復(fù)合試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法選取有限元分析的試驗(yàn)樣本點(diǎn)；
[0010] 步驟5、對(duì)試驗(yàn)樣本點(diǎn)進(jìn)行有限元分析，得到樣本點(diǎn)的整機(jī)靜剛度響應(yīng)值；
[0011] 步驟6、建立大件結(jié)構(gòu)剛度特性參數(shù)與機(jī)床整機(jī)靜剛度的響應(yīng)面模型；
[0012] 步驟7、分析各大件結(jié)構(gòu)剛度對(duì)機(jī)床整機(jī)靜剛度的靈敏度，確定靜剛度薄弱環(huán)節(jié)， 進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。
[0013] 所述步驟1的在Pro/E軟件中建立機(jī)床整機(jī)簡(jiǎn)化模型，其中還具體包括以下處 理：
[0014] 刪除對(duì)與分析結(jié)果相關(guān)性小的特征；去除主軸箱和工作臺(tái)內(nèi)部的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)；去除 機(jī)床整機(jī)的附加組件；在Pro/E軟件中將簡(jiǎn)化的各部件模型根據(jù)各部件間的位置關(guān)系再次 裝配為機(jī)床整機(jī)模型。
[0015] 其中所述步驟2的將機(jī)床簡(jiǎn)化模型導(dǎo)入SAMCEF軟件中，建立整機(jī)有限元模型，還 具體包括以下處理：
[0016] 在Pro/E軟件中將整機(jī)簡(jiǎn)化模型導(dǎo)入到有限元分析軟件SAMCEF中，在SAMCEF中 模型上建立點(diǎn)線面模型；定義主軸箱、立柱、床身、滑座和工作臺(tái)為體單元，導(dǎo)軌和絲杠為梁 單元，軸承座和滑塊為殼單元；根據(jù)部件實(shí)際的加工材料，定義各部件結(jié)構(gòu)的材料屬性；在 各結(jié)合面間添加裝配關(guān)系和邊界條件，約束網(wǎng)格平均長(zhǎng)度進(jìn)行有限元網(wǎng)格劃分，建立整機(jī) 的有限元分析模型。
[0017] 其中所述步驟3的對(duì)整機(jī)大件結(jié)構(gòu)剛度特性進(jìn)行參數(shù)化，確定設(shè)計(jì)參數(shù)和設(shè)計(jì)空 間，還具體包括以下處理：
[0018] 選取機(jī)床各大件的彈性模量為整機(jī)大件結(jié)構(gòu)剛度特性的設(shè)計(jì)參數(shù)，以彈性模量的 初始值為中間值，以初始值增大20%為設(shè)計(jì)變量的最大值和減小20%為設(shè)計(jì)變量的最小 值，確定試驗(yàn)設(shè)計(jì)空間。
[0019] 其中所述步驟4的應(yīng)用中心復(fù)合試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法選取有限元分析的試驗(yàn)樣本點(diǎn)，還 具體包括以下處理：只在中心點(diǎn)和擴(kuò)展點(diǎn)做數(shù)值分析試驗(yàn)；通過(guò)中心復(fù)合試驗(yàn)得到86個(gè)試 驗(yàn)樣本點(diǎn)，用以構(gòu)建響應(yīng)面模型。
[0020] 所述中心復(fù)合試驗(yàn)參數(shù)值α設(shè)定為2. 258,以保證中心復(fù)合試驗(yàn)的正交性，且中 心點(diǎn)的個(gè)數(shù)為10。
[0021] 其中所述步驟5的對(duì)試驗(yàn)樣本點(diǎn)進(jìn)行有限元分析，得到樣本點(diǎn)的整機(jī)靜剛度響應(yīng) 值，還具體包括以下處理：
[0022] 根據(jù)機(jī)床實(shí)際工況受力，在整機(jī)刀尖處和工件點(diǎn)處分別施加沿X軸正方向和負(fù)方 向的力3350Ν，不考慮重力的作用，分別提取刀尖和工件點(diǎn)沿X方向的受力變形值，進(jìn)一步 求出沿X方向刀尖和工件點(diǎn)的相對(duì)變形值，機(jī)床整機(jī)所受力與刀尖和工件點(diǎn)的相對(duì)變形值 之比為整機(jī)X方向的靜剛度值；
[0023] 依據(jù)上述步驟，依次求出整機(jī)Υ和Ζ方向的靜剛度值；
[0024] 根據(jù)試驗(yàn)樣本點(diǎn)的彈性模量數(shù)值，改變有限元模型分析參數(shù)，分別求出所有樣本 點(diǎn)的靜剛度響應(yīng)值。
[0025] 其中所述步驟6的建立大件結(jié)構(gòu)剛度特性參數(shù)與機(jī)床整機(jī)靜剛度的響應(yīng)面模型， 還具體包括以下處理：
[0026] 在機(jī)床整機(jī)中，η個(gè)設(shè)計(jì)變量的二階響應(yīng)面模型表示為：
[0027]

【權(quán)利要求】
1. 一種機(jī)床整機(jī)靜剛度的優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，其特征在于，方法包括以下步驟： 步驟（1)、在Pro/E軟件中建立機(jī)床整機(jī)簡(jiǎn)化模型； 步驟（2)、將機(jī)床簡(jiǎn)化模型導(dǎo)入SAMCEF軟件中，建立整機(jī)有限元模型； 步驟（3)、對(duì)整機(jī)大件結(jié)構(gòu)剛度特性進(jìn)行參數(shù)化，確定設(shè)計(jì)參數(shù)和設(shè)計(jì)空間； 步驟（4)、應(yīng)用中心復(fù)合試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法選取有限元分析的試驗(yàn)樣本點(diǎn)； 步驟（5)、對(duì)試驗(yàn)樣本點(diǎn)進(jìn)行有限元分析，得到樣本點(diǎn)的整機(jī)靜剛度響應(yīng)值； 步驟￠)、建立大件結(jié)構(gòu)剛度特性參數(shù)與機(jī)床整機(jī)靜剛度的響應(yīng)面模型； 步驟（7)、分析各大件結(jié)構(gòu)剛度對(duì)機(jī)床整機(jī)靜剛度的靈敏度，確定靜剛度薄弱環(huán)節(jié)，進(jìn) 行優(yōu)化設(shè)計(jì)。
2. 如權(quán)利要求1所述的機(jī)床整機(jī)靜剛度的優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，其特征在于，其中所述步驟 (1) 的在Pro/E軟件中建立機(jī)床整機(jī)簡(jiǎn)化模型，還具體包括以下處理： 刪除對(duì)與分析結(jié)果相關(guān)性小的特征；去除主軸箱和工作臺(tái)內(nèi)部的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)；去除機(jī)床 整機(jī)的附加組件；在Pro/E軟件中將簡(jiǎn)化的各部件模型根據(jù)各部件間的位置關(guān)系再次裝配 為機(jī)床整機(jī)模型。
3. 如權(quán)利要求1所述的機(jī)床整機(jī)靜剛度的優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，其特征在于，其中所述步驟 (2) 的將機(jī)床簡(jiǎn)化模型導(dǎo)入SAMCEF軟件中，建立整機(jī)有限元模型，還具體包括以下處理： 在Pro/E軟件中將整機(jī)簡(jiǎn)化模型導(dǎo)入到有限元分析軟件SAMCEF中，在SAMCEF中模型 上建立點(diǎn)線面模型；定義主軸箱、立柱、床身、滑座和工作臺(tái)為體單元，導(dǎo)軌和絲杠為梁?jiǎn)?元，軸承座和滑塊為殼單元；根據(jù)部件實(shí)際的加工材料，定義各部件結(jié)構(gòu)的材料屬性；在各 結(jié)合面間添加裝配關(guān)系和邊界條件，約束網(wǎng)格平均長(zhǎng)度進(jìn)行有限元網(wǎng)格劃分，建立整機(jī)的 有限元分析模型。
4. 如權(quán)利要求1所述的機(jī)床整機(jī)靜剛度的優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，其特征在于，其中所述步驟 (3) 的對(duì)整機(jī)大件結(jié)構(gòu)剛度特性進(jìn)行參數(shù)化，確定設(shè)計(jì)參數(shù)和設(shè)計(jì)空間，還具體包括以下處 理： 選取機(jī)床各大件的彈性模量為整機(jī)大件結(jié)構(gòu)剛度特性的設(shè)計(jì)參數(shù)，以彈性模量的初始 值為中間值，以初始值增大20%為設(shè)計(jì)變量的最大值和減小20%為設(shè)計(jì)變量的最小值，確 定試驗(yàn)設(shè)計(jì)空間。
5. 如權(quán)利要求1所述的機(jī)床整機(jī)靜剛度的優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，其特征在于，其中所述步驟 (4) 的應(yīng)用中心復(fù)合試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法選取有限元分析的試驗(yàn)樣本點(diǎn)，還具體包括以下處理： 只在中心點(diǎn)和擴(kuò)展點(diǎn)做數(shù)值分析試驗(yàn)；通過(guò)中心復(fù)合試驗(yàn)得到86個(gè)試驗(yàn)樣本點(diǎn)，用以構(gòu)建 響應(yīng)面模型。
6. 如權(quán)利要求5所述的機(jī)床整機(jī)靜剛度的優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，其特征在于，所述中心復(fù)合 試驗(yàn)參數(shù)值α設(shè)定為2. 258,以保證中心復(fù)合試驗(yàn)的正交性，且中心點(diǎn)的個(gè)數(shù)為10。
7. 如權(quán)利要求1所述的機(jī)床整機(jī)靜剛度的優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，其特征在于，其中所述步驟 (5) 的對(duì)試驗(yàn)樣本點(diǎn)進(jìn)行有限元分析，得到樣本點(diǎn)的整機(jī)靜剛度響應(yīng)值，還具體包括以下處 理： 根據(jù)機(jī)床實(shí)際工況受力，在整機(jī)刀尖處和工件點(diǎn)處分別施加沿X軸正方向和負(fù)方向的 力3350Ν，不考慮重力的作用，分別提取刀尖和工件點(diǎn)沿X方向的受力變形值，進(jìn)一步求出 沿X方向刀尖和工件點(diǎn)的相對(duì)變形值，機(jī)床整機(jī)所受力與刀尖和工件點(diǎn)的相對(duì)變形值之比 為整機(jī)X方向的靜剛度值； 依據(jù)上述步驟，依次求出整機(jī)Y和Z方向的靜剛度值； 根據(jù)試驗(yàn)樣本點(diǎn)的彈性模量數(shù)值，改變有限元模型分析參數(shù)，分別求出所有樣本點(diǎn)的 靜剛度響應(yīng)值。
8. 如權(quán)利要求1所述的機(jī)床整機(jī)靜剛度的優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，其特征在于，其中所述步 驟（6)的建立大件結(jié)構(gòu)剛度特性參數(shù)與機(jī)床整機(jī)靜剛度的響應(yīng)面模型，還具體包括以下處 理： 在機(jī)床整機(jī)中，η個(gè)設(shè)計(jì)變量的二階響應(yīng)面模型表示為：
式中：y為響應(yīng)值；Xi為設(shè)計(jì)參數(shù)；η為設(shè)計(jì)參數(shù)的個(gè)數(shù)；β為待定系數(shù)，模型式中包含 了 1+2η+η (η-1)/2個(gè)待定系數(shù)，其值可由最小二乘法擬合得到。
9. 如權(quán)利要求1所述的機(jī)床整機(jī)靜剛度的優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，其特征在于，其中所述步驟7 的分析各大件結(jié)構(gòu)剛度對(duì)機(jī)床整機(jī)靜剛度的靈敏度，確定靜剛度薄弱環(huán)節(jié)，進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)， 還具體包括以下處理： 分析計(jì)算X、Υ和Ζ三個(gè)方向靜剛度響應(yīng)面模型，得到各大件結(jié)構(gòu)剛度特性參數(shù)對(duì)三個(gè) 方向靜剛度的靈敏度； 根據(jù)靜剛度分析中相關(guān)薄弱大件結(jié)構(gòu)的變形特點(diǎn)，對(duì)薄弱大件結(jié)構(gòu)的原始設(shè)計(jì)方案進(jìn) 行優(yōu)化設(shè)計(jì)，即提高機(jī)床X、Υ和Ζ三個(gè)方向的靜剛度。
【文檔編號(hào)】G06F17/50GK104156501SQ201410336978
【公開(kāi)日】2014年11月19日 申請(qǐng)日期:2014年7月15日 優(yōu)先權(quán)日:2014年7月15日
【發(fā)明者】牛文鐵, 李學(xué)言, 王俊強(qiáng), 薛令軍 申請(qǐng)人:天津大學(xué)