一种机床固定结合面不同位置处刚度参数分配设计方法技术

本发明专利技术公开了一种机床固定结合面不同位置处刚度参数分配设计方法，包括以下步骤：(1)确定待分析机床的各项参数；(2)提取出待分析机床床身立柱的全部自由度；(3)建立床身立柱系统的动力学模型；(4)确定变量的设计空间，建立多自由度系统无阻尼振动的运动方程；(5)构建二阶响应面模型，利用遗传算法循环逼近寻优技术对机床固定结合面不同位置的刚度参数进行分配设计；(6)利用有限元分析软件ANSYS验证优化结果。通过本发明专利技术方法对床身立柱固定结合面处不同位置处的刚度参数进行预估和分配设计，从而提高机床的动态特性。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种机床床身立柱固定结合面不同位置处的刚度参数规划方法，具体的说，是涉及一种基于响应面和遗传算法的精密机床固定结合面不同位置处刚度参数分配设计方法。
技术介绍
机床的动态性能对机床加工精度及加工效率有着重要影响，传统的机床设计中对结合面各个位置处刚度参数的处理依据以往经验进行分配，这种方法比较主观，不利于保证机床动态性能。目前，对于精密机床固定结合面处不同位置处刚度参数的分配设计仍局限于单个位置最优的方法，其实质是设计者依据设计经验，分配各个位置处的刚度参数，然后对有限个位置进行数值模拟分析计算，然后从中选择最优的刚度参数。这种方法难以保证众多位置组合时的刚度参数对机床动态特性是最优的，同时挑选参数和进行数值模拟分析计算需要耗用大量时间，不能满足现代机床设计生产要求。因此，提出一种基于响应面和遗传算法的精密机床固定结合面不同位置处刚度参数分配设计方法，解决设计效率和设计精度低等问题，是本专利技术亟待解决的技术问题。
技术实现思路
本专利技术的目的是为了克服现有技术中的不足，提供一种基于响应面和遗传算法的精密机床固定结合面不同位置处刚度参数分配设计方法，对床身立柱固定结合面处不同位置处的刚度参数进行预估和分配设计，从而提高机床的动态特性。本专利技术的目的是通过以下技术方案实现的：一种机床固定结合面不同位置处刚度参数分配设计方法，包括以下步骤：(1)确定待分析机床的各项参数：包括床身立柱外形尺寸、结合面联接点相对位置尺寸、床身立柱的质量参数和转动惯量参数；(2)提取出待分析机床床身立柱的全部自由度；(3)建立床身立柱系统的动力学模型；(4)确定变量的设计空间，建立多自由度系统无阻尼振动的运动方程，以机床床身立柱首阶固有频率作为设计目标，以固定结合面不同位置的刚度参数作为设计变量，基于Matlab软件利用多自由度系统无阻尼自由振动的运动方程获得机床首阶固有频率与床身立柱结合面位置刚度参数的样本点；(5)构建二阶响应面模型，利用遗传算法循环逼近寻优技术对机床固定结合面不同位置的刚度参数进行分配设计；(6)利用有限元分析软件ANSYS验证优化结果：将步骤(5)中机床固定结合面不同位置处刚度参数的最优分配关系结果赋予到床身立柱结合面上，导入到有限元分析软件ANSYS中，并添加约束，进行模态分析；对刚度参数分配前后的首阶固有频率进行对比，如果刚度参数分配设计满足要求，则输出优化结果，并结束设计过程；否则，重新进行遗传算法寻优，直到满足设计要求为止。步骤(2)中将床身立柱振动归纳为12个自由度，分别是床身X方向的平动和转动，Y方向的平动和转动，Z方向的平动和转动，立柱X方向的平动和转动，Y方向的平动和转动，Z方向的平动和转动。步骤(4)中将床身立柱结合面刚度的极限范围作为变量的设计空间，其中床身立柱结合面刚度变化的最小极限为初始结合面刚度的60％，最大极限为初始结合面刚度的150％。与现有技术相比，本专利技术的技术方案所带来的有益效果是：本专利技术通过求解精密系统的动力学方程，得到固定结合面不同位置处的刚度参数与系统首阶固有频率的关系，建立响应面模型，通过遗传算法寻优得到满足系统动态性能的最优刚度参数，提高了机床加工效率和加工精度，减少了生产制造成本，具有较强的可操作性，为机床的设计与仿真分析提供支撑。附图说明图1是本专利技术方法的整体流程图；图2是机床床身立柱的动力学模型示意图；图3-1是机床床身立柱固定结合面的俯视结构示意图；图3-2是机床床身立柱固定结合面的相对位置尺寸示意图。具体实施方式为能进一步了解本专利技术的
技术实现思路
、特点及功效，兹例举以下实施例，并配合附图详细说明如下，图1是本专利技术方法的整体流程图，针对具体实施例的设计方法步骤如下：(1)确定待分析精密机床所需各项参数待分析精密机床所需各项参数分别为床身立柱外形尺寸、结合面联接点相对位置尺寸、床身立柱的质量参数和转动惯量参数。待分析床身立柱和结合面各项所需几何参数如图2所示，其中结合面联接点相对位置尺寸为a3、a4、a5、c4、c6、c7、c8，立柱转动惯量参数为Ix1、Iy1、Iz1、床身转动惯量参数为Ix2、Iy2、Iz2，立柱质量参数为m1，床身质量参数为m2。(2)提取出待分析床身立柱的全部自由度为了更详尽准确的描述床身立柱所有振型并且为了模型建立的正确性，将床身立柱振动归纳为12个自由度，分别是床身X方向的平动和转动，Y方向的平动和转动，Z方向的平动和转动，立柱X方向的平动和转动，Y方向的平动和转动，Z方向的平动和转动，用qi来表示。(3)建立床身立柱系统的动力学模型利用拉格朗日方程及能量守恒定律建立机床结构总动能、总势能及瑞利耗能函数。拉格朗日方程为：ddt[∂T∂x·i]-∂T∂xi=Q---(1)]]>式中：xi为系统广义坐标，Q为系统广义力，T为系统总动能。通过系统总动能、总势能及瑞利耗能求出系统质量矩阵[M]、刚度矩阵[K]及阻尼矩阵[C]，本文研究的是系统自由振动的固有频率，因此不考虑瑞利耗能和阻尼矩阵。对于研究的床身立柱系统，Q由广义势力广义线性阻尼力及广义激振力Q'组成，即：Q=-∂V∂xi-∂D∂xi+Q′---(2)]]>将式(1)带入式(2)，得ddt[∂T∂x·i]-∂T∂xi+∂V∂xi+∂D∂x·i=Q′---(3)]]>式中：V为系统总势能，D为系统瑞利耗能。分别求出床身立柱的动能和势能，床身立柱的动能相加即得系统总动能T，床身立柱的势能相加即得系统总势能V，代入到式(3)中，即可得到关于床身立柱的拉格朗日方程。(4)确定变量的设计空间，建立多自由度系统无阻尼振动的运动方程。床身立柱固定结合面联接螺栓的分布呈现“凹字形”，从图3-1和图3-2可以看出，在每个位置均设置一个刚度参数变量，即每一列、每一行的位置均设置变量，共设置8个刚度参数的变量。确定变量的设计空间时，考虑到结合面刚度实际变化情况，本专利技术中床身立柱结合面刚度变化范围分别为：最小极限为初始结合面刚度的60％，最大极限为初始结合面刚度的150％，上述结合面刚度的极限范围即为各变量设计空间。从设计空间中选取样本点对响应面的构建至关重要，不理想的试验点不仅影响后面响应面模型的精度，甚至会造成所述响应面模型无法构建，因此要根据实验设计理论来确定合理的样本点。为了构建所述响应面模型，本专利技术的试验设计选择最优拉丁超立方法算法，这种设计算法改进了随机拉丁超立方法设计的均匀性，使因素和响应的拟合更加精确真实，从而保证构建的近似模型在整个设计空间的近似精度。从步骤(3)所确定的拉格朗日方程中，代入床身立柱外形尺寸、结合面联接点相对位置尺寸、床身立柱的质量参数和转动惯量参数等相关尺寸，基于Matlab软件求解出动力学方程的质量矩阵和刚度矩阵，建立多自由度系统无阻尼振动的运动方程。多自由系统无阻尼自由振动的运动方程为：M{q··本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种机床固定结合面不同位置处刚度参数分配设计方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)确定待分析机床的各项参数：包括床身立柱外形尺寸、结合面联接点相对位置尺寸、床身立柱的质量参数和转动惯量参数；(2)提取出待分析机床床身立柱的全部自由度；(3)建立床身立柱系统的动力学模型；(4)确定变量的设计空间，建立多自由度系统无阻尼振动的运动方程，以机床床身立柱首阶固有频率作为设计目标，以固定结合面不同位置的刚度参数作为设计变量，基于Matlab软件利用多自由度系统无阻尼自由振动的运动方程获得机床首阶固有频率与床身立柱结合面位置刚度参数的样本点；(5)构建二阶响应面模型，利用遗传算法循环逼近寻优技术对机床固定结合面不同位置的刚度参数进行分配设计；(6)利用有限元分析软件ANSYS验证优化结果：将步骤(5)中机床固定结合面不同位置处刚度参数的最优分配关系结果赋予到床身立柱结合面上，导入到有限元分析软件ANSYS中，并添加约束，进行模态分析；对刚度参数分配前后的首阶固有频率进行对比，如果刚度参数分配设计满足要求，则输出优化结果，并结束设计过程；否则，重新进行遗传算法寻优，直到满足设计要求为止。

【技术特征摘要】
1.一种机床固定结合面不同位置处刚度参数分配设计方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)确定待分析机床的各项参数：包括床身立柱外形尺寸、结合面联接点相对位置尺寸、床身立柱的质量参数和转动惯量参数；(2)提取出待分析机床床身立柱的全部自由度；(3)建立床身立柱系统的动力学模型；(4)确定变量的设计空间，建立多自由度系统无阻尼振动的运动方程，以机床床身立柱首阶固有频率作为设计目标，以固定结合面不同位置的刚度参数作为设计变量，基于Matlab软件利用多自由度系统无阻尼自由振动的运动方程获得机床首阶固有频率与床身立柱结合面位置刚度参数的样本点；(5)构建二阶响应面模型，利用遗传算法循环逼近寻优技术对机床固定结合面不同位置的刚度参数进行分配设计；(6)利用有限元分析软件ANSYS验证优化结果：将步骤(5)中机床固定结合面不同位置处刚度参数的最优分配关系...

【专利技术属性】
技术研发人员：张大卫，张军傲，石一光，郭悟斌，
申请(专利权)人：天津大学，
类型：发明
国别省市：天津;12