一种机床基础大件动态性能优化设计方法与流程

本发明涉及数控机床优化设计领域，具体为一种机床基础大件动态性能优化设计方法。

背景技术：

机床良好性能要求机床基础大件具有好的静态性能和动态性能。目前，机床设计方法仍然沿用经验、类比的传统方法设计机床静强度和静刚度，没有认识到机床动态特性对机床性能的重要影响作用。现在，数控机床向着高精度、高加工质量、高稳定性和高生产率方向发展，机床的动态性能已经成为衡量机床性能的重要指标。

模态分析和谐响应分析是机床动态性能分析的基础内容。通过有限元方法进行模态分析和谐响应分析，可以对机床的振动特性和机床在一定频率简谐载荷作用下的动力学响应进行定性分析，但是不能定量分析机床各个基础大件对机床动态性能影响的灵敏度，从而不能预测机床基础大件的改变对其动态性能的影响趋势。

技术实现要素：

针对现有技术中存在的问题，本发明提供一种机床基础大件动态性能优化设计方法，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机床基础大件中影响机床动态性能的薄弱环节，还可以定量地分析机床基础大件对其影响的灵敏度，提高机床设计精度和设计效率。

本发明是通过以下技术方案来实现：

一种机床基础大件动态性能优化设计方法，包括以下步骤：

1)根据机床的动力学分析要求，在CAD软件中对机床装配体模型进行简化；

2)将简化后的机床装配体模型导入到有限元分析软件中；

3)在有限元分析软件中对机床装配体模型进行网格划分，并对机床的主轴箱进行网格细化；

4)在有限元分析软件中对机床装配体模型进行各基础大件的材料属性设置、结合面属性设置和边界条件设置，在对机床装配体模型进行网格划分的基础上，完成机床装配体的模态仿真分析，得到机床装配体的固有频率和振型，从而得到机床的一阶固有频率；

5)根据机床装配体的固有频率和设定的机床主轴转速，在有限元分析软件中完成机床装配体的谐响应分析，得到主轴箱端部在简谐力作用下X向、Y向和Z向的最大振幅响应值；

6)在有限元分析软件中对机床的一阶固有频率、三向的最大振幅响应值和设定的机床基础大件质量特性参数进行参数化，通过中心复合试验设计方式得到试验样本点，利用仿真分析得到试验样本点对应的机床动态性能响应值；

7)根据步骤6)中试验样本点和试验样本点的响应值，构建各机床动态性能响应值和基础大件质量特性参数之间的二次多项式响应面模型：

其中：y为机床动态性能响应值，x为一个基础大件质量特性参数，n为基础大件的个数，β为待定系数，i和j均为基础大件质量特性参数序号，i、j和n均为自然数；

8)在上述得到的二次多项式响应面模型基础上，对各个基础大件质量特性参数求偏导数，得到基础大件质量特性参数对机床动态性能影响的灵敏度，通过各灵敏度之间的比较，定性分析基础大件对机床动态性能的影响；

9)根据灵敏度定性分析结果得到影响机床动态性能的薄弱环节；针对机床基础大件中的薄弱环节，在二次多项式响应面模型中改变基础大件质量特性参数，定量预测基础大件质量特性改变对机床动态性能的影响趋势和影响量，进行定量分析，完成机床动态性能优化设计。

优选的，步骤1)中，机床装配体模型简化的具体方法为：

1)删除机床装配体中尺寸小的倒角和圆角；

2)删除不影响仿真分析的小特征，所述的小特征包括螺钉孔、螺栓孔和注油孔；

3)简化传动系统，减速箱内部结构使用等效质量进行简化，丝杠结构使用圆柱代替；

4)简化主轴结构，进行装配体仿真分析时，将主轴作为一个整体进行分析，使用等效实体模型和等效质量进行代替；

5)简化辅助结构，对装配体结构刚性不产生影响的辅助结构，使用质量点进行代替；

6)删除装配体中尺寸过小的平面特征，保证好的单元质量。

优选的，步骤5)中，在谐响应分析时，将边界条件中的力边界条件进行如下设置：在主轴端施加两组数值相等的切向切削力，大小为机床在额定功率下加工的切向切削力幅值，相位角差90°，用于模拟刀具的实际工作状态。

优选的，步骤6)中，对机床装配体基础大件质量特性参数进行参数化设置时，采用中心复合试验设计方式得到试验样本点；通过有限元方法进行机床装配体模态分析和谐响应分析，得到上述试验样本点对应的机床动态性能响应值。

进一步，步骤6)中对机床基础大件质量特性参数化包括以下步骤：

6.1对基础大件质量参数化试验设计方式采用中心复合试验；以基础大件原始设计质量为中心，下限为机床基础大件原始设计质量的90％，上限为机床基础大件原始设计质量的110％，得到中心复合试验方式下的试验样本点；

6.2通过仿真分析计算得到中心复合试验方式下的机床动态性能响应值，包括参数化的机床一阶固有频率和参数化的主轴箱端部在简谐力作用下X向、Y向、Z向的最大振幅响应值。

优选的，步骤7)中，采用最小二乘法拟合得到机床装配体基础大件质量特性参数与机床动态性能响应值之间的二次多项式响应面模型。

进一步，所述步骤7)中，拟合二次多项式响应面模型包括以下步骤：

7.1输出变量分别为机床一阶固有频率和主轴箱端部在简谐力作用下X向、Y向、Z向的最大振幅响应值，设计变量为机床基础大件的质量特性参数；

7.2采用最小二乘法对输出变量和设计变量进行拟合，得到二次多项式响应面模型的拟合系数。

优选的，步骤8)中，通过对二次多项式响应面模型中作为设计变量的各个基础大件质量特性参数求偏导，得到机床装配体基础大件质量特性对动态性能响应值的灵敏度，其中，各基础大件质量特性参数变化时引起机床动态性能变化最大的要素即为机床动态性能薄弱环节。

优选的，步骤9)中，通过改变二次多项式响应面模型中的基础大件的质量特性值，得到机床动态性能响应值，能够定量分析出基础大件质量特性参数的改变对机床动态性能影响的趋势和影响量；根据预测的趋势和影响量，修改机床原始装配体模型中的薄弱环节，进行定量分析，完成机床动态性能的优化设计。

优选的，所述的有限元分析软件采用ANSYS/Workbench软件。

与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：

本发明根据动力学仿真分析要求对机床装配体进行简化，将简化后的装配体导入到ANSYS/Workbench中进行网格划分、材料设置、边界条件设置，完成机床装配体的模态分析。在谐响应分析中，通过模拟刀具实际工作状态，得到机床装配体主轴箱端部在简谐力作用下X向、Y向、Z向的最大振幅响应值。最后使用参数化分析技术对基础大件质量特性参数进行试验设计，拟合得到机床动态性能响应值和基础大件质量特性之间的响应面模型。通过对响应面模型进行分析，不仅可以定性地找出基础大件在机床动态性能中的薄弱环节，还可以定量地预测出基础大件的改变对机床动态性能影响的趋势，提高机床设计的精度，并且能够对同类的机床，以响应面模型为基础，对其直接进行定量分析，避免了重复劳动和操作，提高了优化设计的效率，对沿用经验、类比的传统设计方法提供指导。

附图说明

图1为本发明整体流程图。

图2为本发明在ANSYS/Workbench中的仿真分析示意图。

图3a为各基础大件质量特性参数对机床第一阶固有频率的灵敏度。

图3b为各基础大件质量特性参数对主轴箱端部在简谐力作用下X向最大振幅响应值的灵敏度。

图3c为各基础大件质量特性参数对主轴箱端部在简谐力作用下Y向最大振幅响应值的灵敏度。

图3d为各基础大件质量特性参数对主轴箱端部在简谐力作用下Z向最大振幅响应值的灵敏度。

具体实施方式

下面结合具体的实施例对本发明做进一步的详细说明，所述是对本发明的解释而不是限定。

本发明一种机床基础大件动态性能优化设计方法，基于试验设计，包含有限元分析软件参数化分析技术和响应面试验设计技术。根据动力学仿真分析要求对机床装配体进行简化，将简化后的装配体导入到有限元分析软件中进行网格划分、材料设置、边界条件设置，完成机床装配体的模态分析。在谐响应分析中，通过模拟刀具实际工作状态，得到机床装配体主轴箱端部在简谐力作用下X向、Y向、Z向的最大振幅响应值。最后使用参数化分析技术对基础大件质量特性参数进行试验设计，拟合得到机床动态性能响应值和基础大件质量特性参数之间的响应面模型。通过对响应面分析，不仅可以定性地找出基础大件在机床动态性能中的薄弱环节，还可以定量地预测出基础大件的改变对机床动态性能影响的趋势，从而提高机床设计的精度和效率。

具体的，本发明所述方法，如图1和图2所示，包括如下步骤。

1.机床装配体模型简化。

在CAD软件中对建立机床的装配体模型进行简化，具体内容包括：

(1)删除机床装配体中尺寸小的倒角和圆角；

(2)删除不影响仿真分析的小特征：螺钉孔、螺栓孔、注油孔；

(3)简化传动系统：减速箱内部结构使用等效质量进行简化，丝杠结构使用简单圆柱代替；

(4)简化主轴结构：进行装配体仿真分析时，将主轴作为一个整体进行分析，使用等效实体模型和等效质量进行代替；

(5)简化辅助结构：对装配体结构刚性不产生影响的辅助结构，使用质量点进行代替；

(6)删除装配体中尺寸过小的平面特征，保证好的单元质量。

2.有限元分析软件中装配体模型的导入和处理。

本优选实例中以ANSYS/Workbench软件为例进行说明，将保存好的机床装配体模型通过ANSYS/Workbench中geometry菜单导入到软件中。在geometry菜单中，通过布尔运算将相关零件进行合并，使装配体模型中主要包含床身、立柱、滑鞍、主轴箱、工作台等基础大件，减少装配体中的结合面，提高计算效率。根据机床的材料设计要求，在Workbench材料库中分别建立装配体模型所需要的材料。在本实施例中，装配体模型的结合面主要考虑两种：一种是床身与立柱的螺栓固定结合面，另一种是床身与工作台、立柱与滑鞍、滑鞍与主轴箱的导轨可动结合面。在机床装配体的仿真分析中，将固定结合面设置为Bonded(粘结)方式，将可动结合面设置为No separation(滑动不分离)方式。

3.网格划分。

由于装配体模型几何尺寸较大、结构复杂、零件数量多，将网格尺寸设置50mm，对于主轴箱等重点关心区域可以划分成更细的网格。

4.机床装配体模态分析。

在有限元分析软件中设置模态分析的边界条件，主要包括地脚螺栓的固定约束设置。通过模态分析即可得到机床装配体的固有频率和振型。

5.机床装配体谐响应分析。

模态分析得到的机床第一阶和第二阶固有频率值分别为：48.119Hz和54.426Hz，设置谐响应分析的求解区间为0Hz至60Hz，求解点为40个。由于机床在实际加工过程中，切向切削力随主轴转动沿圆周方向不断变化，设置外界激振力大小为机床在额定功率下加工的切向切削力幅值，相位角差90°，来模拟刀具的实际工作状态。通过谐响应分析得到主轴箱端部在简谐力作用下X向、Y向、Z向的最大振幅响应值。

6.二次多项式响应面模型拟合。

为了得到基础大件对机床动态性能影响的规律，找出机床动态性能的薄弱环节，利用ANSYS/Workbench的参数化功能，拟合得到基础大件质量特性与机床动态性能响应值之间的响应面模型。响应面模型可以用显性的函数表达式来表示响应值和设计变量之间的关系。响应值也就是输出值，本发明中有5个设计变量，基础大件床身、立柱、滑鞍、主轴箱、工作台的质量。由于各基础大件的体积不变，因此，对基础大件床身、立柱、滑鞍、主轴箱、工作台的密度进行试验设计，试验方式为中心复合试验设计。中心复合试验设计能够以最少的工作循环提供试验样本点。具体方法为：以基础大件原始设计质量对应的密度为中心，下限为机床基础大件原始设计质量对应密度的90％，上限为机床基础大件原始设计质量对应密度的110％，得到中心复合试验方式下的试验样本点；通过ANSYS/Workbench参数化分析技术，得到中心复合试验方式样本点对应的动态性能响应值：机床一阶固有频率和主轴箱端部在简谐力作用下X向、Y向、Z向的最大振幅响应值。

通过最小二乘法拟合试验样本点和样本点对应的响应值，即可得到机床一阶固有频率和主轴箱端部在简谐力作用下X向、Y向、Z向的最大振幅响应值与基础大件质量之间的二次多项式响应面模型：

其中：y为输出变量，x_i为设计变量，n为设计变量个数，β为待定系数，β通过最小二乘法拟合得到。

7.动态性能优化设计。

利用上述求得的二次多项式模型对各基础大件质量求偏导即可得到基础大件质量对机床装配体动态性能机床一阶固有频率和主轴箱端部在简谐力作用下X向、Y向、Z向的最大振幅响应值的灵敏度，如附图3a、附图3b、附图3c、附图3d所示。通过灵敏度分析结果可以发现，机床装配体的动态性能对立柱、滑鞍、主轴箱质量的改变十分敏感。由此可以确定立柱、滑鞍、主轴箱质量是机床动态性能的薄弱环节。通过改变二次多项式响应面模型中的基础大件的质量值，得到机床一阶固有频率和主轴箱端部在简谐力作用下X向、Y向、Z向的最大振幅响应值的函数值，可以定量分析出基础大件质量的改变对机床动态性能影响的趋势和影响量。根据预测的趋势和影响量，修改机床原始装配体模型中的薄弱环节，即可完成机床动态性能的优化设计，从而提高机床的设计精度和效率。

其中，如图3a所示，通过二次多项式响应面模型分析得到的各基础大件质量特性参数对机床整机第一阶固有频率的灵敏度。各基础大件质量对机床第一阶固有频率的灵敏度值均为负数，表示随着基础大件质量的增加机床第一阶固有频率值减小，其中，立柱、滑鞍、主轴箱质量影响最大。

如图3b所示，通过二次多项式响应面模型分析得到的各基础大件质量特性参数对主轴箱端部在简谐力作用下X向最大振幅响应值的灵敏度，立柱、主轴箱质量影响最大。其中，立柱质量对主轴箱端部在简谐力作用下X向最大振幅响应值的灵敏度为负值，表示随着立柱质量增加，X向最大振幅响应值减小。主轴箱质量对主轴箱端部在简谐力作用下X向最大振幅响应值的灵敏度为正值，表示随着主轴箱质量增加，X向最大振幅响应值增大。

如图3c所示，通过二次多项式响应面模型分析得到的各基础大件质量特性参数对主轴箱端部在简谐力作用下Y向最大振幅响应值的灵敏度，立柱、滑鞍质量影响最大。其中，立柱、滑鞍质量对主轴箱端部在简谐力作用下Y向最大振幅响应值的灵敏度为负值，表示随着立柱、滑鞍质量增加，Y向最大振幅响应值减小。

如图3d所示，通过二次多项式响应面模型分析得到的各基础大件质量特性参数对主轴箱端部在简谐力作用下Z向最大振幅响应值的灵敏度，立柱、滑鞍质量影响最大。其中，立柱、滑鞍质量对主轴箱端部在简谐力作用下Z向最大振幅响应值的灵敏度为负值，表示随着立柱、滑鞍质量增加，Z向最大振幅响应值减小。