[發(fā)明專利]一種機床模塊式剛度表征與求解方法

有效

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• 申請日: 2013-12-31
• 公開（公告）號: CN103778278A
• 公開（公告）日: 2014-05-07
• 發(fā)明（設計）人: 高羨明;李寶童;甄宜超;尹彥陽
• 申請（專利權）人: 西安交通大學
• 主分類號: G06F17/50
• 分類號: G06F17/50
• 代理公司: 西安智大知識產(chǎn)權代理事務所 61215
• 代理人: 賀建斌

技術領域

本發(fā)明涉及機床技術領域，具體涉及一種機床模塊式剛度表征與求解方法。?

背景技術

機床作為非常重要的基礎制造裝備，它是制造機器的機器，所以又稱為“工作母機”。機床的設計和制造水平直接影響到一個國家制造業(yè)的產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)效率，尤其是高檔數(shù)控機床的設計和制造水平更成為衡量一個國家工業(yè)化水平和綜合國力的重要標志。?

機床靜剛度是表征機床性能的重要指標之一，它是指機床在不隨時間變化或變化極為緩慢的載荷（即靜載荷）作用下抵抗變形的能力。機床的運動部件和工件的重量變化以及重力分布情況的改變所引起的機床變形、在外部靜載荷作用下發(fā)生的變形不僅會影響到零部件的幾何精度，進而影響加工質(zhì)量；還會影響機床整體的生產(chǎn)率、發(fā)熱、磨損、抗振性、噪聲、工作壽命和運動平衡性等。?

對機床的靜剛度特性進行研究、發(fā)現(xiàn)剛度薄弱環(huán)節(jié)，對機床的設計和改進有著較為重要的實際意義。但是傳統(tǒng)的機床剛度分析方法通常是將機床的各向剛度分開研究，并且把機床的子結(jié)構與整體剛度之間的關系看成單純的加減關系。這并不能全面反映機床的剛度情況，因為機床的子結(jié)構大都具有包括轉(zhuǎn)動自由度在內(nèi)的多個自由度，相互之間變形疊加關系較為復雜，很難用傳統(tǒng)的方法將機床的剛度情況完?整的反映出來。?

發(fā)明內(nèi)容

為了克服上述現(xiàn)有技術的缺點，本發(fā)明的目的在于提供一種機床模塊式剛度表征與求解方法，更加全面的將機床及其子系統(tǒng)模塊的剛度特性反映出來，提高了分析效率。?

為實現(xiàn)本發(fā)明的目的，本發(fā)明采取的技術方案為：?

一種機床模塊式剛度表征與求解方法，包括以下步驟：?

步驟一：將機床按照幾何結(jié)構劃分成兩個以上的子系統(tǒng)模塊，每個子系統(tǒng)模塊由兩個以上的零部件組合而成；?

步驟二：確定載荷在各子系統(tǒng)模塊中的傳遞方向，選取刀具切削工件的位置為載荷的起點，機床的安裝位置，即地面為載荷的終點，并經(jīng)過刀具一側(cè)和工件一側(cè)分別由起點傳遞到終點；?

步驟三：對各子系統(tǒng)模塊的承載位置和約束位置進行辨識，其中：承載位置是指子系統(tǒng)模塊中靠近步驟二中定義的載荷起點的一端、與上一子系統(tǒng)模塊相連接的位置；承載位置會承受上一子系統(tǒng)模塊傳遞來的載荷，承載位置方向和位置的變化會引起與之相連的上一子系統(tǒng)模塊方向和位置的變化；?

約束位置是指子系統(tǒng)模塊中靠近步驟二中定義的載荷終點的一端、與下一子系統(tǒng)模塊相連接的位置；子系統(tǒng)模塊的約束位置會限制承載子系統(tǒng)模塊的自由度，并且約束位置的約束反力的反作用力即為該子系統(tǒng)模塊傳遞給下一子系統(tǒng)結(jié)構的載荷；?

機床各子系統(tǒng)模塊間的典型結(jié)合方式分為固定結(jié)合與移動結(jié)合，?其中，移動結(jié)合又分導軌-滑塊結(jié)合、絲杠-螺母結(jié)合，并且這兩種移動結(jié)合都是一同出現(xiàn)在兩個可發(fā)生相對移動的子系統(tǒng)模塊之間的；?

若承載位置通過固定結(jié)合來聯(lián)接其他子系統(tǒng)模塊，直接選取結(jié)合面的方向和位置來表征承載位置的方位；若承載位置通過導軌-滑塊結(jié)合聯(lián)接其他子系統(tǒng)模塊，選取各導軌-滑塊法相結(jié)合平面的中心點所確定的平面的方向和位置來表征承載位置的方位；若承載位置通過絲杠-螺母結(jié)合來聯(lián)接其他子系統(tǒng)模塊，因絲杠主要承受軸向載荷，只需考慮其軸向的載荷及位移量，而該位移又會使相應的導軌-滑塊結(jié)合處發(fā)生同樣大小的沿絲杠軸向的相對位置變化，所以同樣選取各導軌-滑塊法相結(jié)合平面的中心點所確定的平面的方向和位置來表征這類承載位置的方位；?

若約束位置通過固定結(jié)合來聯(lián)接其他子系統(tǒng)模塊，則該處的約束為全約束；若約束位置通過導軌-滑塊結(jié)合聯(lián)接其他子系統(tǒng)模塊，則該處的約束只保留導軌方向的平動自由度；若約束位置通過絲杠-螺母結(jié)合來聯(lián)接其他子系統(tǒng)模塊，則該處的約束為絲杠軸向的位移約束；?

步驟四：對每一個子系統(tǒng)模塊，構建可表征其剛度特性的柔度矩陣C，根據(jù)剛度矩陣的定義，剛度矩陣K與該子系統(tǒng)模塊的柔度矩陣C互為逆矩陣，即K=[C]^-1；子系統(tǒng)模塊的柔度矩陣C表征該子系統(tǒng)模塊承載位置的位移量與其承受的載荷之間的關系，該矩陣的具體維數(shù)與載荷作用位置的數(shù)目n有關，即柔度矩陣C的維數(shù)為6×6n，當n=1時具體表達式為：?