[发明专利]基于响应面和遗传算法的精密机床质量匹配设计方法

说明书

技术领域

本发明涉及精密机床结构方案设计的支撑大件质量规划方法，特别是涉及一种基于响应面和遗传算法的精密机床质量匹配设计方法。

背景技术

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，传统的机床设计依据以往经验规划支撑大件质量。如设计盲目，将不利于保证机床动态性能。

目前，对于精密机床支撑大件质量设计仍局限于单件寻优法。其实质是设计者依据设计经验，反复修改单一大件质量，安排有限个参数进行数值模拟分析计算，从这有限个参数中选择性能最好的。这种方法难以保证所选择的参数最优且难以做到所有支撑大件组合寻优，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质量匹配设计方法，解决设计效率和设计精度低等问题，是本发明亟待解决的技术问题。

发明内容

为了克服上述现有技术存在的问题，本发明提出了一种基于响应面和遗传算法的精密机床质量匹配设计方法，在机床方案设计阶段对支撑结构大件最优质量进行预估，以提高机床结构设计效率。该方法包括以下步骤：

步骤一、确定待分析精密机床所需各项参数，包括机床加工空间、支撑大件外形尺寸、待分析精密机床X、Y、Z三向行程以及结合面参数；

步骤二、提取待分析精密机床全部自由度；

步骤三、利用多自由度系统拉格朗日方程及能量守恒定律，建立待分析精密机床动力学模型，多自由度系统拉格朗日方程表达为：

其中：T为系统的总动能；x_j为系统的广义坐标；Q_j为广义力；n为系统自由度数目；

步骤四、确定变量设计空间，即确定待分析精密机床各支撑大件质量变化范围分别为：最小极限为大件原始设计质量的80％，最大极限为大件原始设计质量的120％；

步骤五、以各支撑结构大件质量极限范围作为变量固定约束，利用中心复合实验拟合试验样本点；

步骤六、针对机床首阶固有频率单目标对机床动力学模型进行数值分析，计算试验样本点响应值，即根据所述机床动力学方程并参照所述机床各项参数得出系统质量矩阵、刚度矩阵。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机床支撑大件质量的函数关系，并提取所述试验样本点响应值，

多自由度系统无阻尼自由振动的运动方程表示为：

其中：M为机床系统的质量矩阵；K为机床系统的刚度矩阵；q、分别为机床的位移和加速度；

步骤七、针对机床动态响应曲线振幅单目标对机床动力学模型进行数值分析，计算试验样本点响应值，即对所述机床动力学模型施加频率为计算所得机床首阶固有频率，振幅为1000N的正弦激振力，并提取机床动态响应曲线，针对各设计变量提取各动态响应曲线振幅作为所述试验样本点响应值；

步骤八、构建基于设计变量的二阶响应面模型：

其中：y为输出变量；x_i为设计变量；n为设计变量的个数；β为待定系数；

步骤九、在所述二阶响应面模型基础上，利用遗传算法循环逼近寻优技术对所述精密机床各支撑大件质量进行匹配设计，取得所述精密机床各支撑大件质量最优匹配关系；

步骤十、利用有限元分析软件SAMCEF对所述机床动力学模型进行模态分析及谐响应分析，并对质量匹配设计前、后模态分析及谐响应分析结果进行对比：若质量匹配设计后满足要求，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。

与现有技术相比，本发明的质量匹配设计方法利用集中参数法建立机床结构动力学模型，并运用响应面和遗传算法进行大件质量关系匹配设计，便于在机床方案设计阶段根据实际需求合理规划支撑大件质量，不仅可以提高机床加工精度及加工效率，还可以进行产品性能预估，寻找影响机床动态性能薄弱环节，减少生产制造成本。

附图说明

图1为基于响应面和遗传算法的精密机床质量匹配设计方法整体流程图；

图2为机床动力学模型示意图；(a)、机床主视图，(b)、机床左视图；

1、工作台；2、主轴箱；3、溜板；4、立柱；5、床身；6、滑台。

具体实施方式

为能更好的理解本发明的发明内容、特点及功效，下面结合附图和实施例对本发明的技术作进一步的说明。

如图1所示为本发明流程图。

第一步：确定待分析精密机床所需各项参数