[发明专利]一种基于响应面模型的机床床身三点支撑优化设计方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种机床大件优化设计方法，特别是涉及一种基于响应面模型的机床床身三点支撑优化设计方法。 

背景技术

机床调平对机床加工的稳定性及精度保持有着重要的影响，传统的床身周围地脚螺栓与地面固定的连接方式，接触点多，不利于机床调平。三点支撑利用三点确定一面的原理，便于机床调平，不仅可以提高机床的稳定性和精度，还可以节约安装费用，缩短安装周期。 

目前，对于床身上三点支撑的优化仍局限于比较法。其实质是设计者根据设计经验，反复修改三点支撑的位置，安排有限个参数组合进行数值模拟分析计算，从这有限个参数组合中选择性能最好的。这种方法难于保证所选择的参数组合最优，且挑选参数组合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模型的机床床身三点支撑优化设计方法，解决优化效率和优化精度低等问题。 

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，提供一种能够高效地实现对床身结构三点支撑的优化设计，达到提高优化效率和优化精度目的的基于响应面模型的机床床身三点支撑优化设计方法。 

本发明所采用的技术方案是：一种基于响应面模型的机床床身三点支撑优化设计方法，包括如下步骤： 

（1）在CAD软件中建立床身结构的简化模型； 

（2）找出三点支撑的极限位置，确定变量设计空间及优化目标； 

（3）采用中心复合试验设计方法，在设计空间内选取静力学分析的试验样本点； 

（4）利用有限元分析软件对步骤（3）得到的试验样本点进行静力学分析计算，提取响应值，所述响应值为床身导轨处变形的包络体； 

（5）根据步骤（4）得到的响应值建立反映结构设计输入与输出关系的床身导轨处变形二阶响应面模型，在床身导轨处变形二阶响应面模型中，将三点支撑的位置作为结构设计输入变量，导轨变形的长方形包络体的高作为结构设计输出变量，根据三点支撑的位置及在不同位置处导轨的变形构建出导轨变形的二阶响应面模型； 

（6）运用遗传算法获取响应面模型最优解，在步骤（5）建立的二阶响应面模型的基础上，运用遗传算法对响应面模型进行优化，找出导轨变形最小时的三点支撑位置； 

（7）对床身实际模型进行静力学分析，验证三点支撑优化设计的可靠性。 

步骤（1）所述的床身结构的简化模型是指去掉减重孔和窗孔这些复杂的内部信息后，只包含床身外形尺寸和筋板结构的床身结构简化模型。 

步骤（2）所述的三点支撑的极限位置是由立柱、溜板和主轴箱的重心，溜板和主轴箱的重心，滑座和工作台的重心极限位置来确定，以保证各重心在三点支撑范围之内。 

步骤（2）所述的变量设计空间是指各重心在三点支撑范围之内时，三点支撑位置的变化范围。 

步骤（2）所述的优化目标是指床身上的导轨变形的长方形包络体的高为最小。 

步骤（3）所述的静力学分析的试验样本点，是根据试验设计理论来确定合理的试验点，该试验设计选择中心复合试验设计方法。 

步骤（4）所述的床身导轨处变形包络体的提取是： 

1）利用有限元分析软件对试验样本点进行静力学分析，提取床身上导轨各处变形； 

2）基于Matlab软件用轴向与导轨平行的最小直径圆柱体包络单个导轨各处的变形； 

3）用最小长方体包络两个导轨变形的圆柱包络体，得到最小长方体的高就是响应值。 

步骤（5）中对于n个设计变量的二阶响应面模型表示为：