CN106372276B - 一种基于静刚度的机床结构件数据库建立方法 - Google Patents

Abstract

一种基于静刚度的机床结构件数据库建立方法，其是通过机床结构件的装配关系及工作要求确定结构件静刚度的定义标准，然后确定影响机床结构件静刚度的因素，根据生产实际确定出各因素的取值范围，通过最优拉丁超立方算法确定出设计空间，根据样本点建立相对应的三维模型，采用有限元分析软件ANSYS得到相对应的静刚度值，获得试验样本点响应值，利用最小二乘法建立二阶响应面模型，确定目标函数后，再利用遗传算法以循环逼近寻优的方式获得不同静刚度值下的机床结构件结构参数，从而建立起基于静刚度的机床结构件数据库。本发明方法大大提高了机床设计效率，可为机床设计与仿真分析提供支撑。

Description

一种基于静刚度的机床结构件数据库建立方法

技术领域

本发明属于机床结构件数据库建立方法技术领域，特别是涉及一种基于静刚度的机床结构件数据库建立方法。

背景技术

机床结构件主要包括床身、立柱、主轴箱、溜板、滑台五部分，机床设计人员以往对机床结构件的结构设计主要使用拓扑优化的方法。但在实际的设计过程中，让企业的设计人员每设计一个零部件就进行一次优化设计是有困难的，而且浪费大量的人力和时间。因此，需要建立一个机床结构件的结构方案数据库。而静刚度对机床加工精度有着重大的影响，因此在这个数据库中，以部件静刚度作为目标进行结构设计。因此，建立一种基于静刚度的机床结构件数据库，对快速实现机床结构件的结构设计尤为重要。

发明内容

为了解决上述问题，本发明的目的在于提供一种基于静刚度的机床结构件数据库建立方法。

为了达到上述目的，本发明提供的基于静刚度的机床结构件数据库建立方法包括按顺序进行的下列步骤：

步骤一、根据所设计的机床结构件的装配关系及工作要求，以机床结构件结合面处的静刚度作为机床结构件的定义标准；

步骤二、确定出影响机床结构件静刚度的因素；

步骤三、以上述影响机床结构件静刚度的因素作为设计变量，利用试验设计的方法确定出静刚度值与设计变量之间的对应关系，最后利用最小二乘法建立二阶响应面模型；

步骤四、在上述二阶响应面模型基础上，确定目标函数，然后利用遗传算法以循环逼近寻优的方式获得不同静刚度值下的机床结构件结构参数，从而建立起基于静刚度的机床结构件数据库。

在步骤二中，所述的影响机床结构件静刚度的因素有：壁厚、筋板厚度、筋板数量、筋板间距。

在步骤三中，所述的利用最小二乘法建立的二阶响应面模型表示为：

式中：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。

在步骤四中，所述的目标函数的数学模型为：

式中：M(x)为机床结构件质量；d_i、n为设计变量；K为机床结构件静刚度值；K_t为机床结构件静刚度目标值；a_i为设计变量的上下限。

本发明提供的基于静刚度的机床结构件数据库建立方法是通过机床结构件的装配关系及工作要求确定结构件静刚度的定义标准，然后确定影响机床结构件静刚度的因素，根据生产实际确定出各因素的取值范围，通过最优拉丁超立方算法确定出设计空间，建立相对应的三维模型，采用有限元分析软件ANSYS得到相对应的静刚度值，获得试验样本点响应值，利用最小二乘法建立二阶响应面模型，确定目标函数后，再利用遗传算法以循环逼近寻优的方式获得不同静刚度值下的机床结构件结构参数，从而建立起基于静刚度的机床结构件数据库。本发明方法实现了机床设计过程中针对不同静刚度的设计要求，均能得到对应机床结构件拓扑结构尺寸参数，大大提高了机床的设计效率，可为机床的设计与仿真分析提供支撑。

附图说明

图1是本发明提供的基于静刚度的机床结构件数据库建立方法整体流程图

具体实施方式

下面结合实施例和附图对本发明提供的基于静刚度的机床结构件数据库建立方法进行详细说明。

如图1所示，本发明提供的基于静刚度的机床结构件数据库建立方法包括按顺序进行的下列步骤：

步骤一、根据所设计的机床结构件的装配关系及工作要求，以机床结构件结合面处的静刚度作为机床结构件的定义标准；

机床结构件主要包括床身、立柱、主轴箱、溜板、滑台五部分，这些机床结构件间的连接方式无非是固定结合面和可动结合面。其中固定结合面是采用螺栓连接的方式，可动结合面则是采用滑块导轨的方式，如果机床结构件的结合面处的刚度较小，那么在刀具加工过程中，结合面处微小的变形就会影响刀具的运行轨迹，从而破坏被加工件的精度，因此这些结合面处的变形对刀具—机床结构间的相对变形具有直接的影响。其次在更改机床结构件拓扑结构以提高机床结构件静刚度时，不能改变机床结构件的装配位置关系，因此结合面的位置也不会发生改变，所以以结合面处的静刚度作为机床结构件静刚度的定义标准更易识别。

步骤二、确定出影响机床结构件静刚度的因素；

从传统的机床结构件设计经验来看，改变机床结构件的壁厚、筋板厚度均会对机床结构件的静刚度产生影响，外部结构尺寸诸如机床结构件的长宽高等尺寸也会影响机床结构件的静刚度，然而如果机床结构件的外部尺寸改变，机床结构件间的装配关系也会随之改变，机床的加工范围也会发生变化，因此需要在不改变机床结构件外形尺寸的前提下确定出影响机床结构件静刚度的因素。在机床结构件的实际制造中，为了减轻机床结构件的质量，其内部是由筋板进行支撑的，那么假设筋板的数量及筋板间的间距也会对机床结构件的静刚度产生影响。经过用有限元分析软件ANSYS验证改变筋板的数量及间距均会对机床结构件的静刚度产生影响，因此可确定影响机床结构件静刚度的因素有：壁厚、筋板厚度、筋板数量、筋板间距。

步骤三、以上述影响机床结构件静刚度的因素作为设计变量，利用试验设计的方法确定出静刚度值与设计变量之间的对应关系，最后利用最小二乘法建立二阶响应面模型；

试验设计的方法主要是针对变量的取值范围采用多目标优化算法确定出试验样本点，即确定出变量的设计空间。然后建立相对应的结构件三维模型，并导入到有限元分析软件ANSYS中求解出机床结构件的变形，进而得到设计空间相对应的静刚度值，由此获得样本点响应值，为响应面拟合奠定基础。

其中试验样本点对响应面的构建至关重要，不理想的试验样本点不仅影响后面响应面模型的精度，甚至会造成所述响应面模型无法构建，而合理试验样本点的选取关键在于设计空间所采用的多目标优化算法。本设计空间所采用的多目标优化算法选择最优拉丁超立方算法，这种算法能够使设计变量和响应面的拟合更加精确真实，从而保证构建的近似模型在整个设计空间的近似精度。

响应面模型是用显性的函数表达式来表示优化问题中隐性的设计变量与响应值之间的关系。利用最小二乘法建立二阶响应面模型，对于n个设计变量的二阶响应面模型可以表示为：

式中：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；

步骤四、在上述二阶响应面模型基础上，确定目标函数，然后利用遗传算法以循环逼近寻优的方式获得不同静刚度值下的机床结构件结构参数，从而建立起基于静刚度的机床结构件数据库。

利用遗传算法确定机床结构件结构参数，一方面能够充分地利用遗传算法的全局搜索能力，在较大规模的解空间中寻求全局最优解；另一方面，利用遗传算法的隐式并行性和强鲁棒性等特点，可充分减少问题的求解时间，提高问题的求解效率。在利用遗传算法进行求解时，每次选择迭代个体总数为120个，最大的运行代数为200。

目标函数的选取首先需要给定机床结构件静刚度值、其次考虑到机床结构件的动态特性，机床结构件的质量应当最小。目标函数的数学模型为：

式中：M(x)为机床结构件质量；d_i、n为设计变量；K为机床结构件静刚度值；K_t为机床结构件静刚度目标值；a_i为设计变量的上下限；

考虑到机床结构件实际静刚度的范围，以一定间距不断更改机床结构件静刚度目标值，每次均采用遗传算法以循环逼近寻优的方式获得该目标值下的结构件结构参数，从而建立起基于静刚度的机床结构件数据库。

以上实施例仅用于说明本发明的技术而非限制，尽管参照实例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的进行修改或者同等替换，而不脱离本发明技术的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (3)

1.一种基于静刚度的机床结构件数据库建立方法，其特征在于：所述的方法包括按顺序进行的下列步骤：

步骤一、根据所设计的机床结构件的装配关系及工作要求，以机床结构件结合面处的静刚度作为机床结构件的定义标准；

步骤二、确定出影响机床结构件静刚度的因素；

步骤三、以上述影响机床结构件静刚度的因素作为设计变量，利用试验设计的方法确定出静刚度值与设计变量之间的对应关系，最后利用最小二乘法建立二阶响应面模型；

步骤四、在上述二阶响应面模型基础上，确定目标函数，然后利用遗传算法以循环逼近寻优的方式获得不同静刚度值下的机床结构件结构参数，从而建立起基于静刚度的机床结构件数据库；

在步骤二中，所述的影响机床结构件静刚度的因素有：壁厚、筋板厚度、筋板数量、筋板间距。

2.根据权利要求1所述的基于静刚度的机床结构件数据库建立方法，其特征在于：在步骤三中，所述的利用最小二乘法建立的二阶响应面模型表示为：

式中：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。

3.根据权利要求1所述的基于静刚度的机床结构件数据库建立方法，其特征在于：在步骤四中，所述的目标函数的数学模型为：

式中：M(x)为机床结构件质量；d₁、d₂、d₃、d₄为设计变量；K为机床结构件静刚度值；K_t为机床结构件静刚度目标值；a_i为设计变量的上下限。