一种基于结合部刚度矩阵的机床薄弱环节优化方法及系统与流程

本发明属于数控机床设计，具体涉及一种基于结合部刚度矩阵的机床薄弱环节优化方法及系统。

背景技术：

1、机床是指制造机器的机器，亦称工作母机或工具机。机床在国民经济现代化的建设中起着重大作用。现有的机床设计方法主要以机床的静态力学性能为主。例如，机床支承大件的设计需要进行受力，变形和刚度的分析；主轴的设计需要分析刚度，悬伸量，耐磨性等等。

2、但现有的设计方法都存在一定的缺点，没有考虑机床的动力学性能，例如机床的模态振型，主振模态，薄弱环节等。而且对于现有的优化设计方法，当机床结构发生变化，机床的模态参数需要重新计算，十分耗时。

技术实现思路

1、为考虑机床设计中动力学性能，提高机床的模态参数计算效率的问题，在本发明的第一方面提供了一种基于结合部刚度矩阵的机床薄弱环节优化方法，包括：获取目标机床的多个结构参数，并根据所述多个结构参数对目标机床进行模态分析；所述多个结构参数包括质量矩阵、阻尼矩阵和刚度矩阵；基于模态分析结果，将目标机床的薄弱环节视为移动部件，余下的环节视为固定部件；根据所述移动部件和所述固定部件确定的结合部刚度矩阵，对目标机床的零件尺寸和质量分布进行优化，得到一个或多个优化方案；基于外加力的频带和能量，通过频响函数确定最佳优化方案。

2、在本发明的一些实施例中，所述根据所述多个结构参数对目标机床进行模态分析包括：基于质量矩阵、阻尼矩阵和刚度矩阵，确定目标机床的频率响应函数；根据所述频率响应函数计算目标机床的模态振型向量、模态频率和模态质量向量。

3、进一步的，所述基于模态分析结果，将目标机床的薄弱环节视为移动部件，余下的环节视为固定部件包括：将目标机床的模态质量分布存在突变且集中的自由度所对应的环节视为移动部件，余下的环节视为固定部件。

4、在本发明的一些实施例中，所述根据所述移动部件和所述固定部件确定的结合部刚度矩阵，对目标机床的零件尺寸和质量分布进行优化包括：根据所述结合部刚度矩阵，将目标机床的零件尺寸和质量分布的优化问题转化为对称矩阵秩一修正问题；通过目标机床的模态参数求解所述对称矩阵秩一修正问题，得到模态参数关于所述移动部件与所述固定部件结合部分的刚度和结合位置关系；通过所述移动部件与所述固定部件结合部分的刚度和结合位置关系，对目标机床的零件尺寸和质量分布进行优化。

5、进一步的，所述通过所述移动部件与所述固定部件结合部分的刚度和结合位置关系，对目标机床的零件尺寸和质量分布进行优化包括：通过修改所述移动部件和所述固定部件的模态信息，优化目标机床的零件尺寸；通过修改所述移动部件和所述固定部件的连接位置或连接刚度，优化目标机床的质量分布。

6、在上述的实施例中，所述基于外加力的频带和能量，通过频率响应函数确定最佳优化方案包括：基于外加力的频带和能量，将最佳频率响应函数对应的结合部刚度矩阵所确定的多个参数作为最佳优化方案。

7、本发明的第二方面，提供了一种基于结合部刚度矩阵的机床薄弱环节优化系统，包括：获取模块，用于获取目标机床的多个结构参数，并根据所述多个结构参数对目标机床进行模态分析；所述多个结构参数包括质量矩阵、阻尼矩阵和刚度矩阵；划分模块，用于基于模态分析结果，将目标机床的薄弱环节视为移动部件，余下的环节视为固定部件；优化模块，用于根据所述移动部件和所述固定部件确定的结合部刚度矩阵，对目标机床的零件尺寸和质量分布进行优化，得到一个或多个优化方案；确定模块，用于基于外加力的频带和能量，通过频响函数确定最佳优化方案。

8、进一步的，所述优化模块包括：转换单元，用于根据所述结合部刚度矩阵，将目标机床的零件尺寸和质量分布的优化问题转化为对称矩阵秩一修正问题；求解单元，用于通过目标机床的模态参数求解所述对称矩阵秩一修正问题，得到模态参数关于所述移动部件与所述固定部件结合部分的刚度和结合位置关系；优化单元，用于通过所述移动部件与所述固定部件结合部分的刚度和结合位置关系，对目标机床的零件尺寸和质量分布进行优化。

9、本发明的第三方面，提供了一种电子设备，包括：一个或多个处理器；存储装置，用于存储一个或多个程序，当所述一个或多个程序被所述一个或多个处理器执行，使得所述一个或多个处理器实现本发明在第一方面提供的基于结合部刚度矩阵的机床薄弱环节优化方法。

10、本发明的第四方面，提供了一种计算机可读介质，其上存储有计算机程序，其中，所述计算机程序被处理器执行时实现本发明在第一方面提供的基于结合部刚度矩阵的机床薄弱环节优化方法。

11、本发明的有益效果是：

12、(1)在机床满足静态力学性能的情况下，实现动力学性能的优化设计；

13、(2)可以针对不同方向的外加力和机床响应进行优化设计；

14、(3)算法成熟，计算量小。经验因素小，可重复性强。

技术特征：

1.一种基于结合部刚度矩阵的机床薄弱环节优化方法，其特征在于，包括：

2.根据权利要求1所述的基于结合部刚度矩阵的机床薄弱环节优化方法，其特征在于，所述根据所述多个结构参数对目标机床进行模态分析包括：

3.根据权利要求2所述的基于结合部刚度矩阵的机床薄弱环节优化方法，其特征在于，所述基于模态分析结果，将目标机床的薄弱环节视为移动部件，余下的环节视为固定部件包括：

4.根据权利要求1所述的基于结合部刚度矩阵的机床薄弱环节优化方法，其特征在于，所述根据所述移动部件和所述固定部件确定的结合部刚度矩阵，对目标机床的零件尺寸和质量分布进行优化包括：

5.根据权利要求4所述的基于结合部刚度矩阵的机床薄弱环节优化方法，其特征在于，所述通过所述移动部件与所述固定部件结合部分的刚度和结合位置关系，对目标机床的零件尺寸和质量分布进行优化包括：

6.根据权利要求1所述的基于结合部刚度矩阵的机床薄弱环节优化方法，其特征在于，所述基于外加力的频带和能量，通过频率响应函数确定最佳优化方案包括：

7.一种基于结合部刚度矩阵的机床薄弱环节优化系统，其特征在于，包括：

8.根据权利要求7所述的基于结合部刚度矩阵的机床薄弱环节优化系统，其特征在于，所述优化模块包括：

9.一种电子设备，包括：一个或多个处理器；存储装置，用于存储一个或多个程序，当所述一个或多个程序被所述一个或多个处理器执行时，使得所述一个或多个处理器实现如权利要求1至6任一项所述的基于结合部刚度矩阵的机床薄弱环节优化方法。

10.一种计算机可读介质，其上存储有计算机程序，其中，所述计算机程序被处理器执行时实现如权利要求1至6任一项所述的基于结合部刚度矩阵的机床薄弱环节优化方法。

技术总结
本发明涉及一种基于结合部刚度矩阵的机床薄弱环节优化方法及系统，其方法包括：获取目标机床的多个结构参数，并根据所述多个结构参数对目标机床进行模态分析；所述多个结构参数包括质量矩阵、阻尼矩阵和刚度矩阵；基于模态分析结果，将目标机床的薄弱环节视为移动部件，余下的环节视为固定部件；根据所述移动部件和所述固定部件确定的结合部刚度矩阵，对目标机床的零件尺寸和质量分布进行优化，得到一个或多个优化方案；基于外加力的频带和能量，通过频响函数确定最佳优化方案。本发明通过模态分析结合结合部刚度矩阵理论对机床的零件尺寸，质量分布进行优化，计算量小，具备可重复性，并实现了动力学性能的优化。

技术研发人员：徐妍妍,毛新勇,王潇,张辉,许枭,刘文鑫,易文,邱悦,郭峻彤
受保护的技术使用者：武汉重型机床集团有限公司
技术研发日：
技术公布日：2024/9/9