一种悬伸式主轴机床结构优化方法及系统技术方案

本发明专利技术提供一种悬伸式主轴机床结构优化方法及系统，其中系统包括：基于悬伸式主轴机床的预设几何参数，建立悬伸式主轴机床的有限元模型；对所述有限元模型进行静力分析，获取所述有限元模型在竖直方向的静变形的仿真数值；根据仿真数值判断所述在竖直方向的静变形是否满足预期优化目标，若否，改进所述有限元模型的结构，直至所述有限元模型在竖直方向的静变形的仿真数值满足预期优化目标。本发明专利技术可用于减小悬伸式主轴机床在竖直方向的静变形，提高其加工精度。提高其加工精度。提高其加工精度。

【技术实现步骤摘要】
一种悬伸式主轴机床结构优化方法及系统


[0001]本专利技术涉及悬伸式主轴机床
，尤其涉及一种悬伸式主轴机床结构优化方法及系统。

技术介绍

[0002]刘啸等针对大跨距数控龙门机床横梁(参见《大跨距数控龙门机床横梁优化设计》)，首先采用形貌优化方法，确定了横梁的最优结构为异形结构，然后通过灵敏度分析，最终确定了横梁的准确模型。对优化前后的结构进行静力分析，对比优化前后的分析结果，横梁静变形如表1所示。由表1可知，优化后横梁静变形降低约8.492％。说明机床静态特性得到一定优化，加工精度有一定提升。
[0003]表1刘啸等结构优化前后静变形对比
[0004] 变形量(mm)优化前0.1790优化后0.1638变化(％)8.492
[0005]邱文瀛等针对大型轧辊磨床(参见《基于多目标的机床结构优化设计研究》)，首先采用拓扑优化方法，确定了机床床身的拓扑结构，并通过动静态分析，确定床身最优筋板布局为W型筋板，最后基于元结构的多目标优化方法，确定了床身的准确模型。对优化前后的结构进行静力分析，对比优化前后的分析结果，整机静变形如表2所示。由表2可知，优化后整机在X方向静变形降低约0.472％，在Y方向静变形降低约2.210％。说明机床静态特性得到一定优化，加工精度有一定提升。
[0006]表2邱文瀛等结构优化前后静变形对比
[0007][0008][0009]何成浩等针对某型数控机床床身(参见《基于有限元分析的机床床身结构优化设计》)，首先采用结构选型优化方法，确定了床身最优筋板布局为米字型筋板，然后基于灵敏度分析，最终确定了改进后床身的准确模型。对优化前后的结构进行静力分析，对比优化前后的分析结果，床身静变形如表3所示。由表3可知，优化后床身静变形降低约16.67％。说明机床静态特性得到一定优化，加工精度有一定提升。
[0010]表3何成浩等结构优化前后静变形对比
[0011] 最大变形(mm)优化前0.0120
优化后0.0100变化(％)16.67
[0012]刘得时等针对某型龙门加工中心横梁(参见《龙门加工中心横梁静态分析及优化设计》)，根据正交试验数据及静力分析位移云图，对横梁进行结构优化。对优化前后的结构进行静力分析，对比优化前后的分析结果，横梁静变形如表4所示。由表4可知，优化后横梁静变形降低约15.02％，其中在X方向静变形降低约
‑
17.72％，在Y方向静变形降低约
‑
95.38％，在Z方向静变形降低约6.250％。说明机床静态特性得到一定优化，加工精度有一定提升。
[0013]表4刘得时等结构优化前后静变形对比
[0014][0015]上述优化方法所针对的目标，仅为某一复杂系统(机床)中的单一零部件，如刘啸等针对大跨距数控龙门机床横梁(参见《大跨距数控龙门机床横梁优化设计》)；刘得时等针对某型龙门加工中心横梁(参见《龙门加工中心横梁静态分析及优化设计》)，单一零部件的优化虽然能够在一定程度上使整个系统的性能得到提升，但由于其优化范围的局限性(仅针对单一零部件进行优化)，注定整个系统的性能提升是不明显的。
[0016]同时上述传统优化方法，如刘啸等针对大跨距数控龙门机床横梁(参见《大跨距数控龙门机床横梁优化设计》)所采用的形貌优化方法；何成浩等针对某型数控机床床身(参见《基于有限元分析的机床床身结构优化设计》)所采用的结构选型优化方法，传统优化方法针对单一零部件的结构优化，其优化效果较为显著，但针对一复杂系统(如机床)，传统优化方法将会不再适用，无法满足复杂系统的优化需求。
[0017]对于一个复杂系统(如悬伸式主轴机床)，对其所有零部件进行优化显然是不可行的，不仅费时费力，而且毫无针对性，优化结果很有可能不理想。
[0018]随着结构优化问题日益复杂，包含拓扑、形貌、尺寸多种类型优化变量的综合优化问题越来越受到人们的重视。结构综合优化问题通常存在变量类型复杂、变量数目多、变量耦合、约束限制多等特点，对其进行结构优化的难度较大。
[0019]悬伸式主轴机床，例如悬伸式主轴五轴数控刀具磨床，主要用于制造精度微小刀具，因其加工速度快、加工精度高等特点，在精密制造、航空航天以及电子装备等领域应用广泛。然而随着高精度微小刀具制造精度的不断提高，对刀具磨床的加工精度也提出了更高的要求。
[0020]因此，如何对悬伸式主轴机床的结构进行优化，减小其在竖直方向的静变形，提高加工精度，成为亟待解决的问题。

技术实现思路

[0021]本专利技术的目的在于解决上述现有技术存在的缺陷，提供一种悬伸式主轴机床结构优化方法及系统。
[0022]本专利技术采用如下技术方案：
[0023]一种悬伸式主轴机床结构优化方法，包括基于悬伸式主轴机床的预设几何参数，建立悬伸式主轴机床的有限元模型，对有限元模型进行静力分析，获得在竖直方向的静变形的仿真数值，判断在竖直方向的静变形的仿真数值是否满足预期优化目标，若否，改进有限元模型的结构，直至有限元模型在竖直方向的静变形的仿真数值满足预期优化目标。通过对悬伸式主轴机床的结构进行优化，减小了悬伸式主轴机床在竖直方向的静变形，提高了悬伸式主轴机床的加工精度。
[0024]还包括一种悬伸式主轴机床结构优化系统，包括构建模块，用于基于悬伸式主轴机床的预设几何参数，建立悬伸式主轴机床的有限元模型。获取模块，用于对所述有限元模型进行静力分析，获得所述有限元模型在竖直方向的静变形的仿真数值。优化模块，用于判断所述在竖直方向的静变形的仿真数值是否满足预期优化目标，若否，改进所述有限元模型的结构，直至所述有限元模型在竖直方向的静变形的仿真数值满足预期优化目标。
[0025]本专利技术的有益效果。
[0026]本专利技术针对悬伸式主轴机床这一复杂系统，对其存在的薄弱环节(立柱、X溜板以及Z溜板)，进行综合结构优化，由于是大范围多零部件优化，相较于常见单一零部件优化，不仅能提升零部件本身的性能，对于整个系统性能的提升会有明显的作用。
[0027]本专利技术针对当今结构优化问题日益复杂的情况，结合拓扑优化、形貌优化及尺寸优化方法，对悬伸式主轴机床这一复杂系统提出了一种综合结构优化方法，相较于传统优化方法针对复杂系统存在求解精度低、容易陷入局部最优解、求解复杂等问题，该综合结构优化方法能够将结构的拓扑、形貌及尺寸这三类优化变量进行整体考虑，充分发挥不同层次优化方法的优势，求解更加有效且可靠。
附图说明
[0028]图1为一个实施例中悬伸式主轴机床结构优化方法的流程示意图；
[0029]图2为一个实施例中悬伸式主轴机床的结构示意图；
[0030]图3(a)
‑
图3(f)为另一个实施例中悬伸式主轴机床的结构示意图；
[0031]图4为一个实施例中判断在竖直方向的静变形的仿真数值是否满足预期优化目标的流程示意图；
[0032]图5为一个实施例中悬伸式主轴机床的有限元模型示意图；
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种悬伸式主轴机床结构的优化方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤101.基于悬伸式主轴机床的预设几何参数，建立悬伸式主轴机床的有限元模型；步骤102.对所述有限元模型进行静力分析，获得有限元模型在竖直方向的静变形的仿真数值；步骤103.判断所述在竖直方向的静变形的仿真数值是否满足预期优化目标，若否，改进所述有限元模型的结构，直至所述有限元模型在竖直方向的静变形的仿真数值满足预期优化目标；判断在竖直方向的静变形的仿真数值是否满足预期优化目标具体操作为：步骤401.将在竖直方向的静变形的仿真数值与预设的静变形阈值进行对比，若在竖直方向的静变形的仿真数值小于静变形阈值，则在竖直方向的静变形的仿真数值满足预期优化目标；步骤402.若在竖直方向的静变形的仿真数值大于或等于静变形阈值，则在竖直方向的静变形的仿真数值不满足预期优化目标。2.根据权利要求1所述的悬伸式主轴机床结构的优化方法，其特征在于，步骤101，所述有限元模型包括床身、立柱、X溜板、Y溜板、Z溜板以及主轴头，改进有限元模型的结构包括：降低所述有限元模型中立柱、X溜板以及Z溜板的质量，减小有限元模型在竖直方向的静变形。3.根据权利要求1所述的悬伸式主轴机床结构的优化方法，其特征在于，步骤102，在竖直方向的静变形的仿真数值的获取步骤包括：步骤(1).确定有限元模型的固定边界约束及载荷约束，设置有限元模型的床身支脚为固定边界约束，设置有限元模型的自身重力为载荷约束；步骤(2).确定在竖直方向的静变形云图，根据固定边界约束及载荷约束条件，对有限元模型进行ANSYS Staic Structure静力分析，确定有限元模型在竖直方向的静变形云图；步骤(3).确定在竖直方向的静变形的仿真数值，根据在竖直方向的静变形云图中的最大值，确定有限元模型在竖直方向的静变形的仿真数值。4.根据权利要求3所述的悬伸式主轴机床结构的优化方法，其特征在于，步骤(2)，有限元模型在竖直方向的静变形云图的获得方式为：设置有限元模型的床身支脚为固定边界约束，设置有限元模型的自身重力为载荷约束，基于ANSYS Static Structural静力分析模块，仿真计算获得有限元模型在竖直方向的静变形云图。5.根据权利要求3所述的...

【专利技术属性】
技术研发人员：李棋，杨凌云，赵岩，方辉，
申请(专利权)人：四川德克普数控机床有限公司，
类型：发明
国别省市：