[發明專利]考慮結合部剛度的高速加工機床整機結構動態設計方法

有效

• 申請號: 201811008460.3
• 申請日: 2018-08-31
• 公開（公告）號: CN109241610B
• 公開（公告）日: 2019-10-11
• 發明（設計）人: 蔣書運
• 申請（專利權）人: 東南大學
• 主分類號: G06F17/50
• 分類號: G06F17/50
• 代理公司: 南京蘇高專利商標事務所(普通合伙) 32204
• 代理人: 柏尚春

1.一種考慮結合部剛度的高速加工機床整機結構動態設計方法，其特征在于該方法包括以下步驟：

步驟1：高速加工機床三維數字化建模：將高速加工機床的幾何結構、物理參數，轉化為三維CAD、CAE模型；

步驟2：機床平面結合部動態參數計算：采用平面結合部動態參數分形幾何模型，計算平面結合部的法向與切向剛度，為高速加工機床整機動態建模提供基礎數據；

步驟3：機床導軌結合部動態參數計算：采用直線導軌結合部5自由度剛度模型，計算線剛度k_y、k_z、旋轉剛度k_θx、偏擺剛度k_θy、k_θz，為高速加工機床整機動態建模提供基礎數據；

步驟4：高速加工機床整機結構動態特性分析計算：開展機床整機固有頻率與模態特性、機床刀具與工件之間諧響應對平面結合部與導軌結合部的剛度參數、機床主要零部件的結構參數的靈敏度計算，尋找機床動態薄弱環節；

步驟5：高速加工機床整機結構動態設計：針對“步驟4”尋找到的機床薄弱環節，并基于上述靈敏度計算結果，以提高機床動態性能為目標，提出高速加工機床整機結構動態設計方法；

其中，

所述步驟1，高速加工機床三維數字化建模，具體為采用三維數字化軟件如Solidworks或者Pro-E，將擬設計的高速加工機床的初步結構轉化為三維CAD、CAE模型；

所述步驟2，機床平面結合部動態參數計算，采用平面結合部動態參數分形幾何模型，分為以下兩步：

1)平面結合部法向剛度K_n計算，

式中：D為粗糙表面輪廓分形維數；a_l′為微凸體最大接觸截面積；a_c′為臨界接觸截面積；E*＝[(1-ν₁²)/E₁+(1-ν₂²)/E₂]^-1，E₁、E₂、ν₁、ν₂分別是兩接觸材料的彈性模量和泊松比；

2)平面結合部切向剛度K_τ計算，

式中，ν為材料泊松比；

所述步驟3，線剛度k_y、k_z的計算為：

1)幾何變形協調方程建立

滾動導軌結合部在受到豎直方向作用力時的變形，其幾何變形協調方程為：

對于第一列滾珠，

對于第三列滾珠，

式中：δ₀為法向初預緊量；δ₁為第一列滾珠法向變形；δ₃為第三列滾珠法向變形；δ_z為滑塊相對于滑軌產生微小變形；β為初始接觸角；β’為第一列滾珠實際接觸角；β″為第三列滾珠實際接觸角；A₁B₁為滑軌滾道與滑塊滾道的曲率中心距離；

2)物理方程的建立

對于第一列滾珠：

α_oP₁^2/3+α_iP₁^2/3＝δ₁ (7)

對于第三列滾珠：

式中α_i、α_o為內外滾道的接觸常數，由赫茲接觸理論求得；P₁、P₃為第一、三列滾珠所承受壓力；

3)力平衡方程建立

滾動導軌滑塊在垂直方向受力平衡方程式：

2zP₁sinβ′-2zP₃sinβ″＝F_z (9)

式中：z為單列滾子數；F_z為作用在滑塊上的垂直力；

4)線剛度k_y、k_z的計算

用牛頓迭代法，求解方程(3-9)，獲得P₁、P₃、β′、β″、δ_z

計算k_z＝dF_z/dδ_z，得到導軌的線剛度值，

滾動導軌的線剛度k_y的計算方法與k_z相似。