一种卧式加工中心阶梯轨式立柱结构的优化设计方法技术

技术编号：41687681 阅读：10 留言：0更新日期：2024-06-14 15:38

本发明专利技术公开了一种卧式加工中心阶梯轨式立柱结构的优化设计方法，包括以下步骤：1)在三维建模软件SolidWorks里进行参数化建模；2)模型简化；3)对整机进行静态仿真分析；4)将模型带入到workbench中进行静态仿真分析；5)模态仿真分析；6)确定输入尺寸参数范围；7)确定试验设计方案；8)建立响应面模型；9)构造目标函数及约束边界；10)基于多目标遗传算法，利用ABW中多目标遗传优化算法对目标函数进行优化求解；11)灵敏度分析和修正参数；12)验证。本发明专利技术通过参数化分析技术和响应面试验设计技术，不仅可以定性地找出影响立柱力学性能的薄弱环节，还可以定量地分析阶梯轨结构不同位置尺寸对其影响的灵敏度，以提高立柱的力学性能和稳定性。

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【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及机床立柱结构优化，更具体的说是涉及一种卧式加工中心阶梯轨式立柱结构的优化设计方法。

技术介绍

1、立柱是卧式加工中心重要的承载和导向部件，承受着主轴箱、主轴、刀具以及加工过程中的各种载荷，同时还承担着x和y向的导向移动，立柱在床身上进行x方向的移动，主轴箱在立柱上进行y方向的移动，立柱担负着承上启下的重要作用，因此对立柱的性能提出了更高的要求，不仅要求立柱要有优异的力学性能，同时还需要立柱具有轻量化、高稳定性的性能，以满足机床高速化精密性的要求。

2、但是，从实际加工过程中的表现和整机仿真分析结果来看，卧式加工中心的立柱是影响机床整机刚度的薄弱环节。目前卧式加工中心阶梯轨式立柱结构的设计多采用单一优化的方法，很难保证立柱结构同时具备较好的刚度、抗震性、轻量化及稳定性。

3、因此，提供一种卧式加工中心阶梯轨式立柱结构的优化设计方法是本领域技术人员亟需解决的问题。

技术实现思路

1、有鉴于此，本专利技术提供了一种卧式加工中心阶梯轨式立柱结构的优化设计方法，采用基于响应面优化进行参数化设计立柱结构尺寸的方法，对立柱阶梯轨的跨距、高度差以及与之相匹配的其它尺寸参数进行综合优化选取最合适的结构尺寸，并利用有限元分析进行仿真试验验证。

2、为了实现上述目的，本专利技术采用如下技术方案：

3、一种卧式加工中心阶梯轨式立柱结构的优化设计方法，包括以下步骤：

4、1)在三维建模软件solidworks里进行参数化建模；

5、2)模型简化；

6、3)对整机进行静态仿真分析，确定立柱导轨面x和z向变形最大时主轴箱在立柱上的位置和主轴切削载荷；

7、4)将模型带入到workbench中进行静态仿真分析；

8、5)模态仿真分析：约束设置与步骤4)一致，立柱滑块面位移约束限制y和z方向的位移、立柱丝杠螺母座位移约束限制x方向位移，提取立柱第一阶固有频率值为优化指标；

9、6)根据实际与立柱相配合零部件尺寸限制和立柱可制造性要求确定输入尺寸参数范围；定义优化参数，取立柱质量、立柱y向导轨面z向变形范围、立柱y向导轨面x向变形范围、立柱第一阶固有频率为优化指标；

10、7)确定试验设计方案：选取拉丁超方体抽样试验设计为试验设计方法，即为一种分层采样方法，采用均匀采样的方法对变量进行采样，然后将这些变量的随机组合集用于目标函数的一次计算；

11、8)建立响应面模型：通过对响应面进行拟合，对比发现kriging响应面模型的拟合精度最高，因此选择kriging函数法的响应面模型；

12、9)构造目标函数及约束边界：选取质量最小化、y向导轨面z向变形范围最小化、y向导轨面x向变形范围最小化、第一阶固有频率最大化为目标函数；

13、10)基于多目标遗传算法，在决策空间中抽取19200个样本点作为遗传算法的初始种群，利用abw中多目标遗传优化算法对目标函数进行优化求解；

14、11)灵敏度分析和修正参数：分析四个输入参数对输出参数影响的灵敏度，根据灵敏度来对最优解进行圆整，输入参数对输出参数的影响是正相关性的对其值取整数部分加一，输入参数对输出参数的影响是负相关性的对其值取整数部位舍去后面的小数；

15、12)验证：将三维模型尺寸修改为所得到圆整后的最优解值，将新模型重新进行仿真分析，与旧模仿仿真结果进行对比，根据仿真结果判断是否达到要求，如果到达要求即获得最优解，如果没有达到要求，重新建立响应面模型。

16、通过采取以上技术方案，本专利技术的有益效果：

17、通过参数化分析技术和响应面试验设计技术，不仅可以定性地找出影响立柱力学性能的薄弱环节，还可以定量地分析阶梯轨结构不同位置尺寸对其影响的灵敏度，以提高立柱的力学性能和稳定性。

18、进一步的，在步骤1)中将丝杠螺母座面宽度d9、下导轨外侧面到上导轨外侧面宽度d10、上下导轨面高度差d11、上导轨面宽度d12设为可变参数，在其参数名前加上ds_前缀，其余参数保持不变。

19、进一步的，步骤2)具体步骤：去除立柱的螺栓安装孔及圆角、倒角，删除尺寸小于5mm的凹槽、凸台和退刀槽；同时对立柱模型进行简化，简化在参数化迭代过程中因所设参数的改变而导致其他特征报错的特征，且所简化的特征保证不影响立柱的力学性能。

20、进一步的，步骤4)具体步骤如下：

21、ⅰ：对模型进行网格划分，细化局部网格质量差位置的网格密度；

22、ⅱ：添加载荷：通过对整机仿真发现当主轴箱在立柱最上沿处并且切削载荷最大时立柱的变形最大，因此模拟主轴、主轴箱、驱动装置、平衡装置所处位置添加重力远程力，根据主轴位置模拟添加切削载荷远程力，即x和z向各2000n的力；

23、ⅲ：添加约束：立柱滑块面位移约束限制y和z方向的位移，立柱丝杠螺母座位移约束限制x方向位移；

24、ⅳ：提取优化指标：提取立柱质量、立柱y向导轨面z向最大和最小变形量、y向导轨面x向最大和最小变形量为优化指标。

25、进一步的，步骤6)确定输入尺寸参数范围具体为：丝杠螺母座面宽度下限在原有尺寸基础上缩小113mm，上限在原有尺寸基础上扩大10mm；下导轨外侧面到上导轨外侧面宽度下限在原有尺寸基础上缩小100mm，上限在原有尺寸基础上扩大100mm；上下导轨面宽度差下限在原有尺寸基础上缩小100mm，上限在原有尺寸基础上扩大100mm；上导轨面宽度下限在原有尺寸基础上缩小75mm，上限在原有尺寸基础上扩大10mm。

26、进一步的，在步骤8)中，kriging函数法通过采用一个平均值为零的随机过程表达复杂仿真模型的实际响应关系，将随机过程中的相关函数计算权值的距离加权插值，其表达式为：

27、

28、式中：f(x)＝{f1(x),f2(x),…fp(x)}为回归函数；β＝{β1,β2,…,βp}为f(x)的回归函数；z(x)为均值为0的随机过程，其协方差矩阵为

29、cov[z(xi),z(xj)]＝σ2[r(xi,xj)]

30、i,j＝1,2,…,m

31、

32、式中：rk(dk,θk)为协方差函数或者与其相关的函数，为距离参数，θk为相关参数，θ＝(θ1,θ2,…,θn)为相关参数矢量。

33、进一步的，步骤9)中目标函数的具体公式如下：

34、f＝min(mass(d9,d10,d11,d12))

35、

36、

37、f1(d1,d2,d3,d4)≥67.74hz

38、215≤d9≤338

39、875≤d10≤1075

40、395≤d11≤595

41、215≤d12≤300

42、式中：为立柱y向导轨面z向变形最大值，为立柱y向导轨面z向变形最小值，本文档来自技高网...

【技术保护点】

1.一种卧式加工中心阶梯轨式立柱结构的优化设计方法，其特征在于，包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的一种卧式加工中心阶梯轨式立柱结构的优化设计方法，其特征在于，在步骤1)中将丝杠螺母座面宽度D9、下导轨外侧面到上导轨外侧面宽度D10、上下导轨面高度差D11、上导轨面宽度D12设为可变参数，在其参数名前加上DS_前缀，其余参数保持不变。

3.根据权利要求2所述的一种卧式加工中心阶梯轨式立柱结构的优化设计方法，其特征在于，步骤2)具体步骤：去除立柱的螺栓安装孔及圆角、倒角，删除尺寸小于5mm的凹槽、凸台和退刀槽；同时对立柱模型进行简化，简化在参数化迭代过程中因所设参数的改变而导致其他特征报错的特征，且所简化的特征保证不影响立柱的力学性能。

4.根据权利要求3所述的一种卧式加工中心阶梯轨式立柱结构的优化设计方法，其特征在于，步骤4)具体步骤如下：

5.根据权利要求4所述的一种卧式加工中心阶梯轨式立柱结构的优化设计方法，其特征在于，步骤6)确定输入尺寸参数范围具体为：丝杠螺母座面宽度下限在原有尺寸基础上缩小113mm，上限在原有尺寸基础

6.根据权利要求5所述的一种卧式加工中心阶梯轨式立柱结构的优化设计方法，其特征在于，在步骤8)中，Kriging函数法通过采用一个平均值为零的随机过程表达复杂仿真模型的实际响应关系，将随机过程中的相关函数计算权值的距离加权插值，其表达式为：

7.根据权利要求6所述的一种卧式加工中心阶梯轨式立柱结构的优化设计方法，其特征在于，步骤9)中目标函数的具体公式如下：

8.根据权利要求7所述的一种卧式加工中心阶梯轨式立柱结构的优化设计方法，其特征在于，在步骤10)中对目标函数进行优化求解具体步骤：初始样本个数为4000，每次迭代的样本数为800，最大迭代次数为20，最大允许Pareto百分比为70％。

9.根据权利要求8所述的一种卧式加工中心阶梯轨式立柱结构的优化设计方法，其特征在于，在步骤11)中，丝杠螺母座面宽度D9与第一阶固有频率、几何质量呈正相关性，与立柱Y向导轨面X向变形范围呈负相关性，并且与第一阶固有频率敏感性最高，敏感系数为0.998，因此D9取值为238mm；

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【技术特征摘要】

1.一种卧式加工中心阶梯轨式立柱结构的优化设计方法，其特征在于，包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的一种卧式加工中心阶梯轨式立柱结构的优化设计方法，其特征在于，在步骤1)中将丝杠螺母座面宽度d9、下导轨外侧面到上导轨外侧面宽度d10、上下导轨面高度差d11、上导轨面宽度d12设为可变参数，在其参数名前加上ds_前缀，其余参数保持不变。

4.根据权利要求3所述的一种卧式加工中心阶梯轨式立柱结构的优化设计方法，其特征在于，步骤4)具体步骤如下：

5.根据权利要求4所述的一种卧式加工中心阶梯轨式立柱结构的优化设计方法，其特征在于，步骤6)确定输入尺寸参数范围具体为：丝杠螺母座面宽度下限在原有尺寸基础上缩小113mm，上限在原有尺寸基础上扩大10mm；下导轨外侧面到上导轨外侧面宽度下限在原有尺寸基础上缩小100mm，上限在原有尺寸基础上扩大10...

【专利技术属性】
技术研发人员：周雪鹏，戴玉红，李珂，任慧玲，姜二彪，程竑力，任国喜，翟国昊，张胤，陈剑峰，
申请(专利权)人：北京工研精机股份有限公司，
类型：发明
国别省市：

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