[发明专利]一种机床整机静刚度的优化设计方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种机床整机静刚度的优化设计方法，特别是涉及一种面向提高机床静刚度的确定整机薄弱环节与优化设计的方法。

背景技术

机床整机是由主轴箱、立柱、床身和工作台等大件串联组成的系统，各大件的静刚度特性都会对整机静刚度产生影响。目前，当机床静刚度不足时，对于机床整机薄弱大件的寻找和优化，局限于对整机进行有限元分析，从机床整体的角度分析机床的变形情况，难以衡量各大件结构刚度对整机静刚度的贡献率，从而导致机床设计人员难以发现整机结构的薄弱环节及对相应的结构进行改进从而有针对性的对机床大件结构进行优化设计，因此耗费设计人员大量时间和精力。

为了提高整机的静刚度，应提高对整机静刚度影响较大且制约整机静刚度的薄弱大件的静刚度特性。

发明内容

为了克服上述现有技术存在的问题，本发明提出了一种机床整机静刚度的优化设计方法，在二阶响应面模型的基础上，通过分析可得到各大件刚度对整机静刚度的灵敏度，确定对整机静刚度影响最大的结构，发现静刚度薄弱环节，进行优化设计；通过对机床静刚度的优化设计，可以提高整机末端静刚度值，减小实际加工中机床的受力变形，提高零件的加工质量。

本发明提出了一种机床整机静刚度的优化设计方法，该方法包括以下步骤：

步骤1、在Pro/E软件中建立机床整机简化模型；

步骤2、将机床简化模型导入SAMCEF软件中，建立整机有限元模型；

步骤3、对整机大件结构刚度特性进行参数化，确定设计参数和设计空间；

步骤4、应用中心复合试验设计方法选取有限元分析的试验样本点；

步骤5、对试验样本点进行有限元分析，得到样本点的整机静刚度响应值；

步骤6、建立大件结构刚度特性参数与机床整机静刚度的响应面模型；

步骤7、分析各大件结构刚度对机床整机静刚度的灵敏度，确定静刚度薄弱环节，进行优化设计。

所述步骤1的在Pro/E软件中建立机床整机简化模型，其中还具体包括以下处理：

删除对与分析结果相关性小的特征；去除主轴箱和工作台内部的传动机构；去除机床整机的附加组件；在Pro/E软件中将简化的各部件模型根据各部件间的位置关系再次装配为机床整机模型。

其中所述步骤2的将机床简化模型导入SAMCEF软件中，建立整机有限元模型，还具体包括以下处理：

在Pro/E软件中将整机简化模型导入到有限元分析软件SAMCEF中，在SAMCEF中模型上建立点线面模型；定义主轴箱、立柱、床身、滑座和工作台为体单元，导轨和丝杠为梁单元，轴承座和滑块为壳单元；根据部件实际的加工材料，定义各部件结构的材料属性；在各结合面间添加装配关系和边界条件，约束网格平均长度进行有限元网格划分，建立整机的有限元分析模型。

其中所述步骤3的对整机大件结构刚度特性进行参数化，确定设计参数和设计空间，还具体包括以下处理：

选取机床各大件的弹性模量为整机大件结构刚度特性的设计参数，以弹性模量的初始值为中间值，以初始值增大20％为设计变量的最大值和减小20％为设计变量的最小值，确定试验设计空间。

其中所述步骤4的应用中心复合试验设计方法选取有限元分析的试验样本点，还具体包括以下处理：只在中心点和扩展点做数值分析试验；通过中心复合试验得到86个试验样本点，用以构建响应面模型。

所述中心复合试验参数值α设定为2.258，以保证中心复合试验的正交性，且中心点的个数为10。

其中所述步骤5的对试验样本点进行有限元分析，得到样本点的整机静刚度响应值，还具体包括以下处理：

根据机床实际工况受力，在整机刀尖处和工件点处分别施加沿X轴正方向和负方向的力3350N，不考虑重力的作用，分别提取刀尖和工件点沿X方向的受力变形值，进一步求出沿X方向刀尖和工件点的相对变形值，机床整机所受力与刀尖和工件点的相对变形值之比为整机X方向的静刚度值；

依据上述步骤，依次求出整机Y和Z方向的静刚度值；

根据试验样本点的弹性模量数值，改变有限元模型分析参数，分别求出所有样本点的静刚度响应值。

其中所述步骤6的建立大件结构刚度特性参数与机床整机静刚度的响应面模型，还具体包括以下处理：

在机床整机中，n个设计变量的二阶响应面模型表示为：