[发明专利]一种机床螺栓联接结构的优化方法

说明书

本发明提供了一种机床螺栓联接结构的优化方法，属于机床技术设计领域。通过对螺栓布置区域﹑参数和联接结构尺寸的优化，提高机床动静态性能。主要包括以下4个步骤：评价指标确定；螺栓布置区域优化；螺栓联接参数优化；螺栓联接结构尺寸优化。与传统螺栓联接结构设计时大多依据经验相比，本发明提出了一套完整的设计方法，可操作性强，对机床动静性能的改善效果显著。

技术领域

本发明属于机床技术设计领域，涉及一种优化方法，具体涉及机床螺栓联接结构的优化方法。

背景技术

机床螺栓联接部对整机性能有较大影响，据研究，机床联接部分占其总柔度的40％-60％，并产生90％以上的阻尼。螺栓联接作为机床重要的联接形式，主要由螺栓和被联接件的联接部分组成，由于螺栓联接结构刚度比实体材料的刚度差1-2个数量级，所以其会对机床的精度产生较大影响。因此，优化机床螺栓联接结构具有重要意义。

目前，设计机床螺栓联接时，其布置区域﹑参数及联接结构尺寸等主要依据经验类比法，缺乏一套行之有效的理论指导，从而导致螺栓联接在设计时具有较大的盲目性，影响机床的性能。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种螺栓布置区域﹑参数及联接结构的优化方法，使机床的动静态性能得以提高。

本发明的技术方案：

一种机床螺栓联接结构的优化方法，步骤如下：

第1步，评价指标确定

为了判断优化后的螺栓联接结构是否使机床的性能得以改善，需确定合理可性的评价指标。对于机床，主要从静动态两方面对其性能进行评价。

(1)机床的静态性能可通过精度敏感地方的实际工作位置和理想工作位置的偏差量来衡量。主轴箱静态性能通过其轴线的偏差量来衡量，立柱和床身等通过导轨的偏差量来衡量；

(2)机床动态性能可由其固有频率来体现，特别是低阶固有频率；为了使机床有较好的动态性能，用低阶固有频率衡量其动态性能；

第2步，螺栓布置区域优化

螺栓布置区域的优化是通过拓扑方法对建立的优化模型进行求解实现的。优化模型主要包括三维模型﹑工况载荷﹑约束等效处理和优化区域设置等几部分。对于三维模型，需去掉尺寸较小的凸台和孔等结构，以便顺利完成网格划分；由于机床在实际工作时工况比较复杂，为了综合考虑各种工况的影响，在载荷计算和施加时，应选取典型和极限两类工况；约束等效的合理性会直接影响最终的拓扑结果，处理的原则是与机床实际工作状态相同；螺栓联接结构拓扑优化时，将螺栓联接处作为拓扑的优化域，其他则视为非优化域。求解后即可得到螺栓布置的最优区域。

第3步，螺栓联接参数优化

将螺栓间距等参数作为优化变量，螺栓联接强度﹑扳手空间等作为约束，并构造优化变量与静动态评价指标间的响应面模型，对其求解即可得到螺栓联接的最优参数。

(1)优化变量

综合考虑螺栓联接面的尺寸﹑扳手空间以及拓扑优化的结果，确定优化变量的范围。

(2)优化约束

螺栓设计时，需要考虑螺栓布置的受力均匀性且满足强度条件，螺栓强度条件为：