一种机床地脚螺栓布局的优化方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于机床设计技术领域，涉及一种优化方法，具体涉及一种机床地脚螺栓 布局的优化方法。
【背景技术】
[0002] 工件的轮廓误差来源于数控机床的刀具和工件间的相对位姿误差，而床身水平轴 轴线直线度是影响刀具和工件间相对位姿误差的一项重要精度指标。然而，受工作台和工 件重力的作用，床身系统会发生变形，尤其是工作台沿着床身导轨移动时，重心不断变化， 最终影响床身水平轴轴线直线度误差，地脚螺栓的布局是该误差的显著影响因素。
[0003] 目前，国内机床企业基本都靠经验来设计地脚螺栓布局，偶尔通过有限元仿真方 法，针对几种常用的地脚螺栓布局进行分析，得出床身变形最小的一种布局。但这些备选布 局仍然是基于经验给出的，不能反映最优的布局方案。同时，仅考虑床身的变形，未考虑工 作台部分移动造成的床身工作台部件重心的变化，而重心的变化是导致水平轴轴线运动的 直线度误差变大的主要原因，仅保证床身变形较小未必能够使水平轴轴线运动的直线度误 差满足设计要求，后续很可能仍然需要通过刮研导轨面等工艺方法保证床身水平轴轴线运 动的直线度误差，装配效率低下，同时也产生大量不必要的费用。
【发明内容】
[0004] 本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供了一种机床地脚螺栓布局的优 化方法，该方法获取床身水平轴轴线运动的直线度误差最小时对应的地脚螺栓的布局。
[0005] 为达到上述目的，本发明所述的机床地脚螺栓布局的优化方法包括以下步骤：
[0006] 1)设置机床地脚螺栓的数量及间距；
[0007] 2)将工作台及工件放置到床身不同位置，计算工作台及工件在床身各位置上时工 作台中间点的变形量，再选取工作台及工件在床身各位置上时工作台中间点的最大变形量 及最小变形量，然后通过工作台及工件在床身各位置上时工作台中间点的最大变形量与最 小变形量相减的结果作为床身水平轴轴线运动的直线度误差S;
[0008] 3)以床身水平轴轴线运动的直线度误差S为目标函数，以地脚螺栓的间距和数 量为自变量进行优化，得床身水平轴轴线运动的直线度误差S最小时对应的地脚螺栓间 距及数量，然后根据床身水平轴轴线运动的直线度误差S最小时对应的地脚螺栓间距及 数量进行机床地脚螺栓的布局。
[0009] 步骤3)中地脚螺栓的间距包括沿导轨长度方向的间距和沿床身宽度方向的间 距。
[0010] 步骤2)中通过有限元仿真的方法计算工作台及工件在床身各位置上时工作台中 间点的变形量。
[0011] 本发明具有以下有益效果：
[0012] 本发明所述的机床地脚螺栓布局的优化方法在优化过程中，通过将工作台及工件 放置到床身不同的位置，计算不同机床地脚螺栓的数量及间距时对应的床身水平轴轴线运 动的直线度误差，然后选取床身水平轴轴线运动的直线度误差最小时对应的地脚螺栓间距 及数量，区别于目前机床企业通过经验获取的方法来进行地脚螺栓布局，从而使布局后机 床水平轴轴线运动的直线误差最小，保证床身水平轴轴线运动的直线度。
【附图说明】
[0013] 图1为本发明的实施例一中精密成型砂轮磨齿机的结构示意图；
[0014] 图2为本发明的实施例中X轴轴线运动的直线度误差计算过程中的示意图；
[0015] 图3为本发明的实施例一中优化后地脚螺栓的布局图。
【具体实施方式】
[0016] 下面结合附图对本发明做进一步详细描述：
[0017] 本发明所述的机床地脚螺栓布局的优化方法包括以下步骤：
[0018] 1)设置机床地脚螺栓的数量及间距；
[0019] 2)将工作台及工件放置到床身不同位置，计算工作台及工件在床身各位置上时工 作台中间点的变形量，再选取工作台及工件在床身各位置上时工作台中间点的最大变形量 及最小变形量，然后通过工作台及工件在床身各位置上时工作台中间点的最大变形量与最 小变形量相减的结果作为床身水平轴轴线运动的直线度误差S;
[0020] 3)以床身水平轴轴线运动的直线度误差S为目标函数，以地脚螺栓的间距和数 量为自变量进行优化，得床身水平轴轴线运动的直线度误差S最小时对应的地脚螺栓间 距及数量，然后根据床身水平轴轴线运动的直线度误差S最小时对应的地脚螺栓间距及 数量进行机床地脚螺栓的布局。
[0021] 步骤3)中地脚螺栓的间距包括沿导轨长度方向的间距和沿床身宽度方向的间 距。
[0022] 步骤2)中通过有限元仿真的方法计算工作台及工件在床身各位置上时工作台中 间点的变形量。
[0023] 需要说明的是，将工作台及工件依次均匀的放置到床身的不同位置，且各位置之 间的间距为200-300mm。
[0024] 实施例一
[0025] (1)地脚螺栓初始布局方式下床身水平轴轴线运动的直线度误差计算，现有的某 精密成型砂轮磨齿机的结构简图如图1所示，地脚螺栓为两列布置，初始设计数量为12个， X向的初始间距值为500mm，Y向的初始间距值为1500mm。在本实施例中，Y向间距对水平 轴轴线运动的直线度误差S的影响不大，因此只考虑X向间距以及地脚螺栓数量对X轴轴 线运动的直线度误差的影响。参考图2,将立柱部件在床身导轨滑块上的运动过程，看成立 柱部件沿导轨在床身长度方向的若干位置。通过有限元仿真方法计算工作台在各位置时重 力作用下工作台中间点的变形量Sp这些变形量中的最大值减最小值即为水平轴轴线运 动的直线度误差S。在实施例中，可以计算得到在初始的地脚螺栓数量和间距下，X轴轴线 运动的直线度误差为8. 96ym/全长。而工艺要求Z轴轴线运动的直线度误差为5ym/全 长，因此，地脚螺栓的初始布局方式不合理。
[0026] 采用本发明进行优化，以Z轴轴线运动的直线度误差S为目标函数，以长度方向 的间距以及地脚螺栓数量为自变量，结合ANSYS有限元仿真分析，采用优化迭代算法对地 脚螺栓的布局进行优化。表1和表2分别给出了地脚螺栓单列数量为5个和6个时X轴轴 线运动的直线度误差值。根据表1和表2选取最优的地脚螺栓布局，即地脚螺栓数量为10 个，长度方向间距为704mm，宽度方向间距为1500mm，优化结果如图3所示。
【主权项】
1. 一种机床地脚螺栓布局的优化方法，其特征在于，包括以下步骤： 1) 设置机床地脚螺栓的数量及间距； 2) 将工作台及工件放置到床身不同位置，计算工作台及工件在床身各位置上时工作台 中间点的变形量，再选取工作台及工件在床身各位置上时工作台中间点的最大变形量及最 小变形量，然后通过工作台及工件在床身各位置上时工作台中间点的最大变形量与最小变 形量相减的结果作为床身水平轴轴线运动的直线度误差S; 3) 以床身水平轴轴线运动的直线度误差S为目标函数，以地脚螺栓的间距和数量为 自变量进行优化，得床身水平轴轴线运动的直线度误差S最小时对应的地脚螺栓间距及 数量，然后根据床身水平轴轴线运动的直线度误差S最小时对应的地脚螺栓间距及数量 进行机床地脚螺栓的布局。
2. 根据权利要求1所述的机床地脚螺栓布局的优化方法，其特征在于，步骤3)中地脚 螺栓的间距包括沿导轨长度方向的间距和沿床身宽度方向的间距。
3. 根据权利要求1所述的机床地脚螺栓布局的优化方法，其特征在于，步骤2)中通过 有限元仿真的方法计算工作台及工件在床身各位置上时工作台中间点的变形量。
【专利摘要】本发明公开了一种机床地脚螺栓布局的优化方法，包括以下步骤：1)设置机床地脚螺栓的数量及间距；2)计算工作台及工件在床身各位置上时工作台中间点的变形量，再选取工作台及工件在床身各位置上时工作台中间点的最大变形量及最小变形量，然后通过所述最大变形量与最小变形量相减的结果作为床身水平轴轴线运动的直线度误差δ；3)以床身水平轴轴线运动的直线度误差δ为目标函数，以地脚螺栓的间距和数量为自变量进行优化，得床身水平轴轴线运动的直线度误差δ最小时对应的地脚螺栓间距及数量，然后根据所述地脚螺栓间距及数量进行机床地脚螺栓的布局。本发明获取床身水平轴轴线运动的直线度误差最小时对应的地脚螺栓的布局。
【IPC分类】G06F17-50
【公开号】CN104794280
【申请号】CN201510191344
【发明人】赵万华, 张俊, 胡敏, 马军旭, 吕盾
【申请人】西安交通大学
【公开日】2015年7月22日
【申请日】2015年4月21日