买专利卖专利找龙图腾，真高效！ 查专利查商标用IPTOP,全免费！专利年费监控用IP管家,真方便！

龙图腾网恭喜中国机械总院集团云南分院有限公司申请的专利基于协同优化策略的数控机床进给系统优化设计方法及存储介质获国家发明授权专利权，本发明授权专利权由国家知识产权局授予，授权公告号为：CN120012444B 。

龙图腾网通过国家知识产权局官网在2025-06-24发布的发明授权授权公告中获悉：该发明授权的专利申请号/专利号为：202510479920.4，技术领域涉及：G06F30/23；该发明授权基于协同优化策略的数控机床进给系统优化设计方法及存储介质是由非浩宇;李嘉炜;张东宁;李宝奎;郭祥福;王超设计研发完成，并于2025-04-17向国家知识产权局提交的专利申请。

本基于协同优化策略的数控机床进给系统优化设计方法及存储介质在说明书摘要公布了：本发明属于机床设计技术领域，具体公开一种基于协同优化策略的数控机床进给系统优化设计方法及存储介质。所述方法是确定设计指标，并完成主要设备预选型；基于协同优化方法，建立数控机床进给系统MDO框架模块中的子学科分析单元；结合构建的子学科分析单元，创建各学科优化模型；针对结构学科分析单元建立代理模型；确定各学科分析单元相互影响和传递关系，结合构建的各学科优化模型及代理模型，创建协同优化框架下的系统级优化模型和学科优化模型，开展学科级优化模型与系统级优化模型的协同循环优化，直到系统级优化目标收敛，得到最终优化结果并输出。本发明具有操作简单、设计效率高、可靠性和灵活性显著提升的特点。

本发明授权基于协同优化策略的数控机床进给系统优化设计方法及存储介质在权利要求书中公布了：1.基于协同优化策略的数控机床进给系统优化设计方法，其特征在于：包括设备选型、构建子学科分析单元、子学科级优化模型建立、构建结构学科代理模型、协同优化步骤，具体过程如下： A、设备选型：确定数控机床进给系统的设计指标，完成主要设备的预选型； B、构建子学科分析单元：基于协同优化方法，建立数控机床进给系统MDO框架模块中的子学科分析单元，所述子学科分析单元包括结构学科分析单元、传动学科分析单元、流体力学学科分析单元、控制学科分析单元； C、子学科级优化模型建立：结合B步骤构建的子学科分析单元，创建各学科优化模型； D、构建结构学科代理模型：针对结构学科分析单元建立代理模型，建立代理模型包括实验设计、DOE采样计算、有限元计算、判断模型精度、输出拟合精度最高的代理模型步骤； E、协同优化：确定各学科分析单元相互影响和传递关系，结合C步骤构建的各学科优化模型及D步骤构建的代理模型，创建协同优化框架下的系统级优化模型和学科优化模型，然后开展学科级优化模型与系统级优化模型的协同循环优化，直到系统级优化目标收敛，得到最终优化结果并输出； 所述B步骤具体过程如下： B10、所述结构学科分析单元中，利用有限元法对进给系统的移动部件进行分析；其中输入参数包括结构尺寸、最大承载和或结构材料属性，输出参数包括移动部件质量、最大变形量； B20、所述传动学科分析单元中，对进给系统的传动链运动特性、滚珠丝杠机械特性、动力学特性进行分析；其中输入参数包括滚珠丝杆导程、直径、移动部件质量、所选电机相关参数、最大快移速度和或加速度，传动链运动特性分析以最大转矩、有效转矩、最大转速和或负载惯量作为输出参数，滚珠丝杠机械特性以临界转速及最大轴向载荷作为输出参数，动力学特性采用集中质量法进行建模以传动链低阶响应特性作为输出参数； B30、所述流体力学学科分析单元中，对静压导轨工作特性进行分析；输入参数包括油腔尺寸、油垫尺寸和或多头泵选型参数，输出参数包括单个油垫空载W min 、最大载荷W max 、空载及最大载荷下油腔压力p 0 和p 1 、空载及最大载荷下导轨浮升h 0 和h 1 、平均静刚度j e ； B40、所述控制学科分析单元中，对控制系统的响应特性进行分析，在B20步骤的基础上建立考虑位置环及速度环的控制系统；输入参数包括位置环比例增益、速度环比例增益、速度环积分常数、电机选型参数、传动参数和或被控对象参数，针对输入参数建立闭环控制传递函数，然后分析前述传递函数并以ITAE指标、ROUTH判据、相位裕度及幅值裕度作为输出参数； 所述B步骤中各子学科分析单元具体如下： 所述结构学科分析单元是通过有限元法进行分析，将移动部件结构参数与材料参数导入，然后进行网格划分、施加约束与载荷，以获取移动部件的重量M、典型工况下模型工作台最大变形量σ max ，最后进行有限元计算； 所述传动学科分析单元是以最大转矩T max 、有效转矩Trms、最大转速N M 、负载惯量γ为结果进行运动特性分析，如式（1）所示： ， 式中：T c 为机床切削负载转矩，J l 为联轴器转动惯量，J r 为减速器转动惯量，J s 为丝杠转动惯量，J m 为电机转动惯量，T sp 为丝杠预紧力附加力矩，T f 摩擦力矩，T e 为机构等效惯性力矩，Ta及ta分别为加速扭矩、加速时间，Tt及tb分别为匀速扭矩及匀速时间，Td及td分别为减速扭矩、减速时间，P B 为丝杠导程，i为减速器减速比，M t 为工作台移动质量，M h 为附加工件质量，tc为循环时间，V max 为进给系统最大快移速度； 所述流体力学学科分析单元是针对配置静压导轨的进给系统进行设计；重型数控机床由于重载、低速的工作特性，考虑静态特性，对单个油垫空载W min 、最大载荷W max 下的油腔压力p 0 、p 1 ，空载、最大载荷下导轨浮升h 0 、h 1 及平均静刚度j e 进行分析计算，如式（2）所示： ， 式中：A e 为有效承载面积，为静压腔结构系数，b、l分别为油腔尺寸，B、L分别为油垫尺寸，μ为流体动力粘度，Q为多头泵单头流量； 所述控制学科分析单元是建立考虑机械子系统弹性的控制模型，考虑到电流环的频率带宽远大于速度环带宽，将电流环等效为1，采用比例-积分-微分控制器及PI控制的速度环、P控制的位置环建立控制模型，得出闭环控制传递函数： ， ， 式中：s为复变量，K m 为电机转矩常数，K p 为位置环比例增益，K vp 为速度环比例增益，K vi 为速度环积分时间常数，K S 为等效刚性，i为运动转换系数，B为系统阻尼，J l 为等效负载惯量，J m 电机惯量； 基于上述闭环控制传递函数，以K p 、K vp 及T s 对控制系统的稳定性、相位裕度、幅值裕度进行分析； 所述稳定性，基于ROUTH判据，判断式（5）是否满足以下不等式，若不满足则不稳定，若满足则稳定： ， 所述相位裕度及幅值裕度是将传递函数导入MATLAB，通过margin函数自动计算得到； 所述ITAE指标如式（6）所示，用于通过ITAE指标对控制学科的快速性和平稳性进行分析： ， 式中：t为时间变量，t a 为响应时间，E rr t为系统误差； 所述B20步骤中滚珠丝杠机械特性所包含临界转速V c ，所允许的最大轴向屈曲载荷F c1 、最大轴向弯曲载荷F c2 进行计算： ， ， 式中：λ为支撑轴承系数，L为丝杠安装间距，ρ为丝杠的密度，E为丝杠杨氏模量，J为丝杠转动惯量有关参数，P B 为丝杠导程，d s 为丝杠直径，σ为丝杠允许拉压力，A为丝杠截面积等于，η 1 为支撑系数； 所述动力学特性采用集中质量法建立数学模型，根据拉格朗日能量法建立进给系统的动力学方程，并写为矩阵的形式： ， 其中：；； ， ， 式中：T为矩阵转置，θ M 为伺服电动机转角，θ S 为滚珠丝杠在工作台位置的转角，X S 为滚珠丝杠在螺母位置的轴向位移，X T 为工作台位移，Q为切削力；J M 为伺服电机转动惯量，J S 为滚珠丝杠等效转动惯量，M S 、M T 分别为滚珠丝杠等效质量和工作台移动质量；k rot 为滚珠丝杠进给系统的扭转刚度，k ax 为滚珠丝杠进给系统的轴向刚度，K n 丝杠螺母的接触刚度，α为相切于丝杠轴转动方向的等效摩擦系数、i为丝杠每转一圈螺母产生的轴向位移； 求解进给系统的动力学方程特征值如式（12），求得系统固有频率； ， 式中：ω为所求系统固有频率； 所述C步骤是以各学科分析单元为基础，确定学科级的局部设计变量、设计约束、设计目标，建立包括前述设计变量、设计约束及设计目标的学科优化模型： 结构学科包括： 设计变量DV：工作台几何尺寸x 1j ，其中j是尺寸参数的个数； 设计约束s.t.：工作台的最大变形量σ max 小于许用变形σ’； 设计目标：最小化移动部件的重量M；建立学科优化模型： ， 传动学科包括： 设计变量DV：滚珠丝杆导程P B 、直径d s ； 设计约束s.t.：负载折算至电机端，转速匹配、最大转矩匹配、额定转矩匹配、惯量匹配；滚珠丝杠设计最大转速V s_max 应小于丝杠临界转速V c ，设计最大轴向载荷F max 应小于丝杠所允许的最大轴向屈曲载荷F c1 及最大轴向弯曲载荷F c2 ； 设计目标：最大传动链一阶固有频率f； ， 式中：N 0为电机最大转速，V max 为工作台最大快移速度，P B 为丝杠导程，T max 为工作所需最大转矩，T rms 为工作所需额定转矩，T motor_max 为电机最大转矩，T motor_rms 为电机额定转矩，γ _max 为最大惯量比，γ _min 为最小惯量比、γ为惯量比； 流体力学学科包括： 设计变量DV：油腔尺寸b、l，油垫尺寸B、L； 设计约束s.t.：油垫最大压力p max 应小于所选多头泵最大供油压力p c ，油膜厚度h 0 、h 1 应满足设计要求； 设计目标：油膜平均刚度j e 最大；建立学科优化模型： ， 控制学科包括： 设计变量DV：输入为位置环比例增益K p 、速度环比例增益K vp 、速度环积分常数T S ； 设计约束s.t.：为保证系统的稳定性，控制系统应满足Routh稳定性判据、增益裕量大于设计要求A m_c 、相位裕量大于设计要求P m_c 、超调量应满足设计要求M c ； 设计目标：J ITAE 最小；建立学科优化模型： ， 式中：G 1为基于ROUTH判据的稳定性约束，a0、a1、a2、a3、a4、a5为式（3）、（4）中传递函数分母系数，G 2为增益裕度、相位裕度约束，G 3为超调约束，A m 为系统幅值裕度，P m 为系统相位裕度，M p 为系统超调量； 所述D步骤中结构学科分析单元的代理模型建立流程为：利用拉丁超立方抽样方法从结构学科相关设计参数空间中进行样本点的均匀分布抽取，生成设计参数的抽样集，将抽样集代入有限元模型，完成结构学科的有限元计算，以质量特性、最大变形量为响应进行输出；随后以采样结果为输入，计算结果为输出，使用以下方法拟合代理模型：克里金模型、径向基函数模型、多项式响应面模型分别构建代理模型，利用复相关系数R2、全局精度指标均方根误差RMSE、最大绝对误差MAE判断代理模型拟合精度；R2值越接近1，模型拟合效果越好，RMSE值越小，模型预测值越接近真实值值越小，MAE表示模型的最差预测误差越低；选择拟合精度最高的代理模型进行输出；R2、RMSE及MAE的计算公式为: ， 式中：y i 为第i个样本状态变量的响应值，为第i个样本状态变量的近似值，为第i个样本状响应均值，n表示样本数； 所述E步骤具体过程如下： E10、给定系统级设计变量期望值Z ij ，并将期望值Z ij 分别传递给各学科级优化模型； E20、系统级传递给各学科级的设计变量期望值Z ij 后，与各学科级优化模块相连的学科分析单元根据前者提供的设计变量x i 进行学科分析，得到设计变量x i 与系统级设计变量期望值Z ij 之间的差异J i ，其中i表示结构、控制、流体力学、传动中的第i个学科，j表示该学科中第j个设计变量，i＝1,2,3，j＝1,2,3； E30、各学科级利用C步骤中建立的学科级优化模型，进行对应学科的学科级优化，在满足自身约束条件的情况下，最小化J i ，计算求得各学科级设计变量的最优值Y ij ,i＝1,2,3，j＝1,2,3； E40、将优化得到的各学科级设计变量的最优值Y ij 返回给系统级，系统级根据各学科级设计变量的最优值Y ij ，构造系统级优化的学科间一致性约束G； E50、利用E30步骤建立的学科级优化模型，在满足学科间一致性约束的条件下，获得关于工作台移动质量M、一阶固有频率f、ITAE指标J ITAE 、油膜平均刚度j e 的最优解；然后经系统级优化后，得到系统级设计变量最优值Z ij '，将最优值Z ij '作为新的系统级设计向量期望值Z ij 传递给各学科级； E60、重复上述E10到E50步骤，直到系统级优化目标收敛，得到最终优化结果并输出； 所述E30步骤中协同优化框架下的结构学科级优化模型为： ， 式中：J 1为结构学科中，学科设计变量与系统级设计变量期望值之间的差异； 所述E30步骤中协同优化框架下的传动学科级优化模型为： ， 式中：J 2为传动学科中，学科设计变量与系统级设计变量期望值之间的差异； 所述E30步骤中协同优化框架下的流体力学学科级优化模型为： ， 式中：J 3为流体力学学科中，学科设计变量与系统级设计变量期望值之间的差异； 所述E30步骤中协同优化框架下的控制学科学科级优化模型为： ， 式中：J 4为控制学科中，学科设计变量与系统级设计变量期望值之间的差异； 所述E30步骤中协同优化框架下的系统级优化模型及所述E40系统级优化的学科间一致性约束G为： ， 式中：J 1 ',J 2 ',J 3 ',J 4 '表示系统级各学科间一致性约束函数；角标'的量表示各学科级传给系统级的最优值，J 1 '= Z 1j －Y 1j 2；J 2 '= Z 41－Y 212+Z 42－Y 222+Z 43－Y 232；J 3 ' =Z 31－Y 312+Z 32－Y 322+Z 33－Y 332+Z 34－Y 342；J 4 '=Z 41－Y 412+Z 42－Y 422+Z 43－Y 432为各学科间一致性约束函数求和，τ为松弛因子，一般取10-3至10-5。

如需购买、转让、实施、许可或投资类似专利技术，可联系本专利的申请人或专利权人中国机械总院集团云南分院有限公司，其通讯地址为：650031 云南省昆明市五华区交林路12号；或者联系龙图腾网官方客服，联系龙图腾网可拨打电话0551-65771310或微信搜索“龙图腾网”。