[發明專利]頻域響應計算的精密機床動態性能優化方法

在審

• 申請號: 201810409281.4
• 申請日: 2018-05-02
• 公開（公告）號: CN108733899A
• 公開（公告）日: 2018-11-02
• 發明（設計）人: 郭淼現;江小輝;李郝林
• 申請（專利權）人: 上海理工大學
• 主分類號: G06F17/50
• 分類號: G06F17/50
• 代理公司: 上海申匯專利代理有限公司 31001
• 代理人: 吳寶根;王晶

本發明涉及一種頻域響應計算的精密機床動態性能優化方法，在三維設計軟件中建立機床結構零件的模型，建立頻域動態切削力模型；選定需要優化的結構特征尺寸作為優化輸入參數，得到初始參數條件下機床關鍵部位的頻響函數；對頻域動態切削力進行簡化，并得到簡化的計算方程，實現動態激振力下頻域響應的計算求解；在選定轉速范圍內計算每一個轉速條件下的動態切削力，并進一步通過頻響函數響應計算得到每一個轉速下機床敏感方向的振動響應，并利用離散化方式得到振動響應函數的RMS值；以某一轉速范圍的振動RMS作為優化目標，以結構參數作為優化變量，進行循環優化計算，當RMS降低達到預定目標時，最終得到機床或者其關鍵部件結構的動態性能優化結果。

技術領域

本發明涉及一種精密機床動態性能優化方法，尤其是一種基于頻域振動響應計算的機床結構動態性能方法。

背景技術

機床的動態性能，決定了其加工的抗振性，甚至還決定了高速精密加工技術的應用前景。高性能的數控機床要求其具有很好的動態性能，而動態性能優化技術可以通過改善結構的參數來實現動態性能的提升。以往的動態性能優化方法主要考以質量、動剛度、模態頻率等某單一指標作為優化的目標，優化的結果只能體現固有特性參數的提升效果，不能直接體現決定加工質量的工藝過程振動。而決定精密機床加工質量的往往是加工過程中動態激振力作用下的機床刀具和工件相對振動，所以如何在動態性能設計和優化過程中就體現工藝振動問題，從直接振動指標上體現設計和優化的效果，是精密機床動態性能優化方法的關鍵所在。

本專利充分考慮加工工藝過程中的切削動態激振力，在頻域中計算動態激振力作用下刀具的振動，并以頻域帶寬內的振動能量作為優化目標，針對關鍵的結構參數進行設計優化，得到動態性能的優化結果，從而保證加工過程中常用轉速范圍內的振動得到有效改善，確保精密加工的精度和質量。

目前的針對機床動態性能的優化方法，主要包括：

方法1.模態頻率優化方法：在有限元環境對機床的模態進行分析，找到影響模態頻率的關鍵參數，從而以某階次模態頻率為優化目標進行結構優化設計，從而提高對應共振的激勵頻率，達到優化機床動態性能的目的。但是存在明顯的缺陷：(1)以模態頻率為優化目標，其動態性能的總體提升水平有限，無法能夠實現振動的整體削減；(2)對于精密機床動態激振不能體現不同轉速范圍的振動響應；(3)優化結果只是模態頻率的提高，很難體現機床工藝過程動態性能的提升效果。

方法2.動剛度優化方法：在有限元環境對機床的模態進行分析，通過對其進行諧響應分析得到動力學響應，發現動力學薄弱環節，從而使用參數化分析方法，從而得到機床質量和剛度對機床動態性能的影響規律，得到動剛度薄弱環節并進行優化設計。該方法的缺陷在于：(1)諧響應分析未充分考慮動態激振力對整個頻域的影響；(2)優化設計的前提是以規律性分析為主，不能量化；(3)薄弱環節的優化主要從動剛度層面，不能對應應到加工工藝的振動。

方法3.質量優化方法：利用有限元分析軟件對機床進行了結構模態分析，通過優化機床結構、修改材料等方法，在保證了床身的剛度和固有頻率等指標的同時優化機床的質量。該方法的明顯缺陷在于：(1)主要針對輕量化操作，對精密機床動態性能提升有限；(2)優化的方法和結果，不能有效降低加工工藝的振動。

綜上可知現有技術的主要缺點為：

1.優化有限元模型，主要以質量、剛度等某些單一指標作為優化的目標，而不能體現整個系統加工激勵下的振動優化效果。

2.優化方法針對某一特定頻率，或者振動機床的特定轉速，不能考慮優化方法對整個頻率(轉速)范圍的影響。

3.優化方法一定程度上提升了抗振性，但是缺少對以工藝過程中振動的整體改善。

針對以上缺陷，特別需要一種能夠直接改善機床工作轉速下振動響應的動態性能優化方法，并且能夠快速有效實現來提升加工精度，來滿足高檔數控機床對高速、精密的共同需求。

發明內容