本发明专利技术提供了一种面向整机动态特性的机床支承件质量匹配方法，属于机床技术领域。通过对机床各支承件质量匹配，优化了整机首阶固有频率及X﹑Y﹑Z三向振幅值，提高了机床动态特性。本发明专利技术主要包括以下4个步骤：机床有限元模型建立及实验验证；优化目标及变量设计空间确定；机床动态特性近似模型构建；基于质量匹配的机床动态特性优化。与传统机床支承件设计时缺少整机动态特性与各支承件质量间映射关系的研究相比，本发明专利技术构建了机床动态特性与各支承件质量间的数学模型，提出了一套较完整的方法，可操作性强，对机床动态特性的优化效果显著，有助于提升机床加工质量。
A Quality Matching Method for Machine Tool Supports Oriented to Whole Machine Dynamic Characteristics
【技术实现步骤摘要】
一种面向整机动态特性的机床支承件质量匹配方法
本专利技术属于机床技术设计领域，涉及一种优化方法，具体涉及一种面向整机动态特性的机床支承件质量匹配方法。
技术介绍
根据机床动力学理论可知，机床支承件(床身﹑立柱﹑主轴箱等)质量直接影响机床动态特性；然而传统机床设计时，设计人员主要依据材料力学﹑理论力学等理论对支承件进行强度与刚度设计。这种设计方法固然保证了设计的支承件满足强度及刚度要求，但缺少对于机床各支承件质量与动态特性间的映射关系研究，从而易出现机床支承件质量匹配不合理﹑质量过大等问题，致使整机动态特性变差﹑材料浪费。因此，探讨机床支承件质量匹配设计方法以优化整机动态具有重要的现实意义。
技术实现思路
本专利技术为克服现有方法的不足，提出一种面向整机动态特性的机床支承件质量匹配设计方法，用于优化整机动态特性。本专利技术的技术方案：一种面向整机动态特性的机床支承件质量匹配方法，该方法包括步骤如下：第1步，机床有限元模型建立及实验验证机床动态特性评价指标包括固有频率﹑振幅，机床动态特性评价指标与机床各支承件质量间为隐性关系，通过数值方法难以直接求解。建立机床有限元模型，并通过机床模态实验验证机床有限元模型的精确性，从而为机床动态特性评价指标与机床各支承件质量间显性模型的建立奠定基础。机床有限元模型建立步骤如下：1.1机床三维实体模型建立去除各支承件三维实体模型中导致网格畸变或影响网格划分的特征。1.2网格单元划分网格单元划分的依据包括网格单元类型﹑单元尺寸及单元材料属性；网格单元类型及单元尺寸影响有限元模型计算效率及精度；建模时，结合机床零部件的结构尺寸设置网格单元类型和单元尺寸；依照制造机床所用材料参数设置单元材料属性。1.3滚动结合面等效机床滚动结合面包括滚动导轨副结合面及滚珠丝杠系统结合面，采用弹簧单元对机床滚动结合面予以等效。1.4边界条件施加机床边界条件包括载荷与约束。由于机床动态特性分析时，外载荷不影响分析结果，故不予考虑。机床与基础(地面)间约束等效方式是否合理将直接影响有限元模型的准确性，处理原则是机床与基础间的约束等效方式同二者间的实际约束状态一致。机床有限元模型实验验证：利用锤击法对机床进行模态测试实验，继而将机床模态的有限元仿真分析结果与实验测试结果进行对比，以此验证机床有限元模型建模方法的准确性。第2步，优化目标及变量设计空间确定2.1优化目标确定机床动态特性采用固有频率及振幅来评价；在机床振动中，低阶振动最先产生且是主要的振动形式，且机床振幅影响机床整机的动刚度，因此以提高机床低阶固有频率和降低振幅作为优化目标。2.2优化变量设计空间确定依据机床支承件结构设计经验，将各支承件质量变动区间设置为原支承件质量上下浮动的10％。第3步，机床动态特性近似模型构建机床动态特性优化是一个反复迭代﹑逐渐逼近最优解的过程，使用机床有限元模型完成优化过程不仅费力而且效率低下。因此采用机床动态特性近似模型代替机床有限元模型以提高优化效率。机床动态特性近似模型的构建过程如下：3.1支承件质量样本选取支承件质量样本选取原则为数量少且具有代表性；利用充满实验设计空间的拉丁超立方实验设计方法，在机床各支承件质量构成的多维设计空间内抽取支承件质量样本，其包含用于构建近似模型的训练样本及用于检验近似模型精度的测试样本两部分。3.2机床动态特性响应分析根据拉丁超立方实验设计抽取的支承件质量样本，通过改变机床有限元分析时各支承件的密度参数以实现质量的变化，采用有限元方法完成机床模态分析及谐响应分析，获得每组支承件质量样本所对应的机床固有频率及振幅。3.3机床动态特性近似模型构建及检验目前，应用较广泛的近似模型有响应面(RSM)模型﹑径向基(RBF)神经网络模型及克里金(Kriging)模型。拟合机床固有频率﹑振幅与机床各支承件质量间的关系数据，分别建立机床固有频率﹑振幅与各支承件质量间三种形式的近似模型，然后利用统一标准予以评价，进而选取拟合精度最高的机床动态特性近似模型进行后续机床动态特性的优化。3.3.1响应面模型构建响应面模型利用多项式拟合响应值与变量间的关系，构建二次响应面模型，其表达式为：式(1)中，y(x)为响应值；a0﹑ai﹑aii﹑aij为待定系数；xi﹑xj为优化变量；n为优化变量数目。3.3.2径向基神经网络模型构建径向基神经网络模型是一种单隐层前馈神经网络即每个神经元只与前一层的神经元相连，接收前一层的输入并输出给下一层，各层间没有反馈。径向基神经网络模型构建步骤如下：(1)归一化处理：为加快建立径向基神经网络模型时的收敛速度，对样本数据进行归一化处理。(2)扩展速度P初始确定：扩展速度P影响径向基神经网络模型的精度，初始设定P值以完成初始模型的构建。(3)径向基神经网络初始模型：在初始设定P值基础上建立径向基神经网络初始模型。(4)测试样本点响应求解及反归一化：基于径向基神经网络初始模型，求解测试样本点响应值，并对其进行反归一化处理。(5)扩展速度P寻优：建立扩展速度P的优化模型，继而找寻P的最优值。(6)径向基神经网络模型：依据最优的P值，构建最终形式的径向基神经网络模型。3.3.3克里金模型构建克里金模型是一种以变异函数理论和结构分析为基础而构建的插值模型，由线性回归部分与随机分布部分组成。设一个m维的设计变量S＝(s1s2…sm)T，其响应值为Y＝(y1y2…ym)T，则设计变量S与响应值Y间的克里金模型表示为：Y＝βF(s)+z(s)(2)式(2)中，F(s)为全局回归模型；β为回归系数；z(s)为随机分布部分。第4步，基于质量匹配的机床动态特性优化基于建立的拟合精度最高的机床动态特性近似模型，构建机床动态特性优化模型。采用多目标遗传算法求解机床动态特性优化模型，获得Pareto(帕累托)解集。进而依据步骤2.1中的优化目标从Pareto解集中选取最优解。进一步地，步骤1.3中滚动导轨副结合面和滚珠丝杠系统结合面的等效弹簧刚度均利用Hertz接触理论求解。进一步地，步骤3.3中用于构建机床动态特性近似模型的数据由机床有限元模态及谐响应分析获得，且分析过程通过ANSYSAPDL语言循环控制实现。本专利技术的有益效果：本专利技术提出的一种面向整机动态特性的机床支承件质量匹配方法，建立了机床动态特性与各支承件质量间的数学模型，优化了机床动态特性，有效避免了传统方法设计的盲目性，有助于机床加工质量的提升。附图说明图1是本专利技术的流程图。图2是本专利技术实施例中卧式加工中心结构图。图3是滚动导轨副等效模型图。图4是滚珠丝杠系统等效模型图。图5是机床有限元模型响应求解流程图。图中：1.立柱；2.主轴箱；3.主轴；4.工作台；5.床身；6.法向等效弹簧；7.侧向等效弹簧；8.滑块；9.导轨；10.轴承座A；11.等效弹簧A；12.丝杠螺母；13.等效弹簧B；14.轴承座B。具体实施方式以下结合附图和技术方案，进一步说明本专利技术的具体实施方式。图2为本专利技术实施例的机床结构图，该型机床可进行铣削﹑镗削﹑车削等。一种面向整机动态特性的机床支承件质量匹配方法，该方法包括以下步骤：第1步，机床有限元模型建立及实验验证1.1机床三维实体模型建立去除机床各支承件三维模型中的螺栓孔﹑倒角等影响网格划分的特征，为机床有限元模型的建本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种面向整机动态特性的机床支承件质量匹配方法，其特征在于，该设计方法包括如下步骤：第1步，机床有限元模型建立及实验验证建立机床有限元模型，并通过机床模态实验验证机床有限元模型的精确性；所述的机床有限元模型的建立步骤如下：1.1 机床三维实体模型建立去除机床各支承件三维实体模型中影响网格划分的特征；1.2 网格单元划分结合机床零部件的结构尺寸设置网格单元类型和单元尺寸；依照制造机床所用材料参数设置单元材料属性；1.3 滚动结合面等效采用弹簧单元对机床滚动导轨副结合面和滚珠丝杠系统结合面予以等效；1.4 边界条件施加不考虑载荷影响，机床与基础间约束等效方式同二者间的实际约束状态一致；机床有限元模型实验验证：利用锤击法对机床进行模态测试实验，将机床模态的有限元仿真分析结果与实验测试结果进行对比，以此验证机床有限元模型建模方法的准确性；第2步，优化目标及变量设计空间确定2.1 优化目标确定以提高机床低阶固有频率和降低振幅作为优化目标；2.2 优化变量设计空间确定依据机床支承件结构设计经验，以原各支承件质量的10％作为各支承件质量的上下浮动值来设置各支承件质量的变动区间；第3步，机床动态特性近似模型构建采用机床动态特性近似模型代替机床有限元模型以提高优化效率；所述的机床动态特性近似模型的构建过程包括如下步骤：3.1 支承件质量样本选取利用充满实验设计空间的拉丁超立方实验设计方法，在机床各支承件质量构成的多维设计空间内抽取支承件质量样本，其包含用于构建近似模型的训练样本及用于检验近似模型精度的测试样本两部分；3.2 机床动态特性响应分析根据拉丁超立方实验设计抽取的支承件质量样本，通过改变机床有限元分析时各支承件的密度参数以实现质量的变化，采用有限元方法完成机床模态分析及谐响应分析，获得每组支承件质量样本所对应的机床固有频率及振幅；3.3 机床动态特性近似模型构建及检验拟合机床固有频率﹑振幅与机床各支承件质量间的关系数据，分别构建机床动态特性响应面模型、径向基神经网络模型及克里金模型；再利用统一标准予以评价，进而选取拟合精度最高的机床动态特性近似模型进行后续机床动态特性的优化；所述的机床动态特性响应面模型、径向基神经网络模型及克里金模型的构建方法如下：3.3.1 响应面模型构建响应面模型利用多项式拟合响应值与变量间的关系，构建二次响应面模型，其表达式为：...
【技术特征摘要】
1.一种面向整机动态特性的机床支承件质量匹配方法，其特征在于，该设计方法包括如下步骤：第1步，机床有限元模型建立及实验验证建立机床有限元模型，并通过机床模态实验验证机床有限元模型的精确性；所述的机床有限元模型的建立步骤如下：1.1机床三维实体模型建立去除机床各支承件三维实体模型中影响网格划分的特征；1.2网格单元划分结合机床零部件的结构尺寸设置网格单元类型和单元尺寸；依照制造机床所用材料参数设置单元材料属性；1.3滚动结合面等效采用弹簧单元对机床滚动导轨副结合面和滚珠丝杠系统结合面予以等效；1.4边界条件施加不考虑载荷影响，机床与基础间约束等效方式同二者间的实际约束状态一致；机床有限元模型实验验证：利用锤击法对机床进行模态测试实验，将机床模态的有限元仿真分析结果与实验测试结果进行对比，以此验证机床有限元模型建模方法的准确性；第2步，优化目标及变量设计空间确定2.1优化目标确定以提高机床低阶固有频率和降低振幅作为优化目标；2.2优化变量设计空间确定依据机床支承件结构设计经验，以原各支承件质量的10％作为各支承件质量的上下浮动值来设置各支承件质量的变动区间；第3步，机床动态特性近似模型构建采用机床动态特性近似模型代替机床有限元模型以提高优化效率；所述的机床动态特性近似模型的构建过程包括如下步骤：3.1支承件质量样本选取利用充满实验设计空间的拉丁超立方实验设计方法，在机床各支承件质量构成的多维设计空间内抽取支承件质量样本，其包含用于构建近似模型的训练样本及用于检验近似模型精度的测试样本两部分；3.2机床动态特性响应分析根据拉丁超立方实验设计抽取的支承件质量样本，通过改变机床有限元分析时各支承件的密度参数以实现质量的变化，采用有限元方法完成机床模态分析及谐响应分析，获得每组支承件质量样本所对应的机床固有频率及振幅；3.3机床动态特性近似模型构建及检验拟合机床固有频率﹑振幅与机床各支承件质量间的关系数据，分别构建机床动态特性响应面模型、径向基神经网络模型及克里金模型；再利用统一标准予以评价，进而选取拟合精度最高的机床动态特性近似模型进行后续机床动态特性的优化；所述的机床动态特性响应面模型、径向基神经网络模型及克里金模型的构建方法如下：3.3.1响应...
【专利技术属性】
技术研发人员：马雅丽，张凯，王德伦，
申请(专利权)人：大连理工大学，
类型：发明
国别省市：辽宁,21
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