一種機床地腳螺栓布局的優化方法
【技術領域】
[0001] 本發明屬于機床設計技術領域，涉及一種優化方法，具體涉及一種機床地腳螺栓 布局的優化方法。
【背景技術】
[0002] 工件的輪廓誤差來源于數控機床的刀具和工件間的相對位姿誤差，而床身水平軸 軸線直線度是影響刀具和工件間相對位姿誤差的一項重要精度指標。然而，受工作臺和工 件重力的作用，床身系統會發生變形，尤其是工作臺沿著床身導軌移動時，重心不斷變化， 最終影響床身水平軸軸線直線度誤差，地腳螺栓的布局是該誤差的顯著影響因素。
[0003] 目前，國內機床企業基本都靠經驗來設計地腳螺栓布局，偶爾通過有限元仿真方 法，針對幾種常用的地腳螺栓布局進行分析，得出床身變形最小的一種布局。但這些備選布 局仍然是基于經驗給出的，不能反映最優的布局方案。同時，僅考慮床身的變形，未考慮工 作臺部分移動造成的床身工作臺部件重心的變化，而重心的變化是導致水平軸軸線運動的 直線度誤差變大的主要原因，僅保證床身變形較小未必能夠使水平軸軸線運動的直線度誤 差滿足設計要求，后續很可能仍然需要通過刮研導軌面等工藝方法保證床身水平軸軸線運 動的直線度誤差，裝配效率低下，同時也產生大量不必要的費用。
【發明內容】
[0004] 本發明的目的在于克服上述現有技術的缺點，提供了一種機床地腳螺栓布局的優 化方法，該方法獲取床身水平軸軸線運動的直線度誤差最小時對應的地腳螺栓的布局。
[0005] 為達到上述目的，本發明所述的機床地腳螺栓布局的優化方法包括以下步驟：
[0006] 1)設置機床地腳螺栓的數量及間距；
[0007] 2)將工作臺及工件放置到床身不同位置，計算工作臺及工件在床身各位置上時工 作臺中間點的變形量，再選取工作臺及工件在床身各位置上時工作臺中間點的最大變形量 及最小變形量，然后通過工作臺及工件在床身各位置上時工作臺中間點的最大變形量與最 小變形量相減的結果作為床身水平軸軸線運動的直線度誤差S;
[0008] 3)以床身水平軸軸線運動的直線度誤差S為目標函數，以地腳螺栓的間距和數 量為自變量進行優化，得床身水平軸軸線運動的直線度誤差S最小時對應的地腳螺栓間 距及數量，然后根據床身水平軸軸線運動的直線度誤差S最小時對應的地腳螺栓間距及 數量進行機床地腳螺栓的布局。
[0009] 步驟3)中地腳螺栓的間距包括沿導軌長度方向的間距和沿床身寬度方向的間 距。
[0010] 步驟2)中通過有限元仿真的方法計算工作臺及工件在床身各位置上時工作臺中 間點的變形量。
[0011] 本發明具有以下有益效果：
[0012] 本發明所述的機床地腳螺栓布局的優化方法在優化過程中，通過將工作臺及工件 放置到床身不同的位置，計算不同機床地腳螺栓的數量及間距時對應的床身水平軸軸線運 動的直線度誤差，然后選取床身水平軸軸線運動的直線度誤差最小時對應的地腳螺栓間距 及數量，區別于目前機床企業通過經驗獲取的方法來進行地腳螺栓布局，從而使布局后機 床水平軸軸線運動的直線誤差最小，保證床身水平軸軸線運動的直線度。
【附圖說明】
[0013] 圖1為本發明的實施例一中精密成型砂輪磨齒機的結構示意圖；
[0014] 圖2為本發明的實施例中X軸軸線運動的直線度誤差計算過程中的示意圖；
[0015] 圖3為本發明的實施例一中優化后地腳螺栓的布局圖。
【具體實施方式】
[0016] 下面結合附圖對本發明做進一步詳細描述：
[0017] 本發明所述的機床地腳螺栓布局的優化方法包括以下步驟：
[0018] 1)設置機床地腳螺栓的數量及間距；
[0019] 2)將工作臺及工件放置到床身不同位置，計算工作臺及工件在床身各位置上時工 作臺中間點的變形量，再選取工作臺及工件在床身各位置上時工作臺中間點的最大變形量 及最小變形量，然后通過工作臺及工件在床身各位置上時工作臺中間點的最大變形量與最 小變形量相減的結果作為床身水平軸軸線運動的直線度誤差S;
[0020] 3)以床身水平軸軸線運動的直線度誤差S為目標函數，以地腳螺栓的間距和數 量為自變量進行優化，得床身水平軸軸線運動的直線度誤差S最小時對應的地腳螺栓間 距及數量，然后根據床身水平軸軸線運動的直線度誤差S最小時對應的地腳螺栓間距及 數量進行機床地腳螺栓的布局。
[0021] 步驟3)中地腳螺栓的間距包括沿導軌長度方向的間距和沿床身寬度方向的間 距。
[0022] 步驟2)中通過有限元仿真的方法計算工作臺及工件在床身各位置上時工作臺中 間點的變形量。
[0023] 需要說明的是，將工作臺及工件依次均勻的放置到床身的不同位置，且各位置之 間的間距為200-300mm。
[0024] 實施例一
[0025] (1)地腳螺栓初始布局方式下床身水平軸軸線運動的直線度誤差計算，現有的某 精密成型砂輪磨齒機的結構簡圖如圖1所示，地腳螺栓為兩列布置，初始設計數量為12個， X向的初始間距值為500mm，Y向的初始間距值為1500mm。在本實施例中，Y向間距對水平 軸軸線運動的直線度誤差S的影響不大，因此只考慮X向間距以及地腳螺栓數量對X軸軸 線運動的直線度誤差的影響。參考圖2,將立柱部件在床身導軌滑塊上的運動過程，看成立 柱部件沿導軌在床身長度方向的若干位置。通過有限元仿真方法計算工作臺在各位置時重 力作用下工作臺中間點的變形量Sp這些變形量中的最大值減最小值即為水平軸軸線運 動的直線度誤差S。在實施例中，可以計算得到在初始的地腳螺栓數量和間距下，X軸軸線 運動的直線度誤差為8. 96ym/全長。而工藝要求Z軸軸線運動的直線度誤差為5ym/全 長，因此，地腳螺栓的初始布局方式不合理。
[0026] 采用本發明進行優化，以Z軸軸線運動的直線度誤差S為目標函數，以長度方向 的間距以及地腳螺栓數量為自變量，結合ANSYS有限元仿真分析，采用優化迭代算法對地 腳螺栓的布局進行優化。表1和表2分別給出了地腳螺栓單列數量為5個和6個時X軸軸 線運動的直線度誤差值。根據表1和表2選取最優的地腳螺栓布局，即地腳螺栓數量為10 個，長度方向間距為704mm，寬度方向間距為1500mm，優化結果如圖3所示。
【主權項】
1. 一種機床地腳螺栓布局的優化方法，其特征在于，包括以下步驟： 1) 設置機床地腳螺栓的數量及間距； 2) 將工作臺及工件放置到床身不同位置，計算工作臺及工件在床身各位置上時工作臺 中間點的變形量，再選取工作臺及工件在床身各位置上時工作臺中間點的最大變形量及最 小變形量，然后通過工作臺及工件在床身各位置上時工作臺中間點的最大變形量與最小變 形量相減的結果作為床身水平軸軸線運動的直線度誤差S; 3) 以床身水平軸軸線運動的直線度誤差S為目標函數，以地腳螺栓的間距和數量為 自變量進行優化，得床身水平軸軸線運動的直線度誤差S最小時對應的地腳螺栓間距及 數量，然后根據床身水平軸軸線運動的直線度誤差S最小時對應的地腳螺栓間距及數量 進行機床地腳螺栓的布局。
2. 根據權利要求1所述的機床地腳螺栓布局的優化方法，其特征在于，步驟3)中地腳 螺栓的間距包括沿導軌長度方向的間距和沿床身寬度方向的間距。
3. 根據權利要求1所述的機床地腳螺栓布局的優化方法，其特征在于，步驟2)中通過 有限元仿真的方法計算工作臺及工件在床身各位置上時工作臺中間點的變形量。
【專利摘要】本發明公開了一種機床地腳螺栓布局的優化方法，包括以下步驟：1)設置機床地腳螺栓的數量及間距；2)計算工作臺及工件在床身各位置上時工作臺中間點的變形量，再選取工作臺及工件在床身各位置上時工作臺中間點的最大變形量及最小變形量，然后通過所述最大變形量與最小變形量相減的結果作為床身水平軸軸線運動的直線度誤差δ；3)以床身水平軸軸線運動的直線度誤差δ為目標函數，以地腳螺栓的間距和數量為自變量進行優化，得床身水平軸軸線運動的直線度誤差δ最小時對應的地腳螺栓間距及數量，然后根據所述地腳螺栓間距及數量進行機床地腳螺栓的布局。本發明獲取床身水平軸軸線運動的直線度誤差最小時對應的地腳螺栓的布局。
【IPC分類】G06F17-50
【公開號】CN104794280
【申請號】CN201510191344
【發明人】趙萬華, 張俊, 胡敏, 馬軍旭, 呂盾
【申請人】西安交通大學
【公開日】2015年7月22日
【申請日】2015年4月21日