[发明专利]一种机床基础大件动态性能优化设计方法

说明书

技术领域

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。

发明内容

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：