[發(fā)明專利]考慮結(jié)合部剛度的高速加工機床整機結(jié)構動態(tài)設計方法

有效

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• 申請日: 2018-08-31
• 公開（公告）號: CN109241610B
• 公開（公告）日: 2019-10-11
• 發(fā)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

本發(fā)明提供了一種考慮結(jié)合部剛度的高速加工機床整機結(jié)構動態(tài)設計方法，其包括以下步驟：步驟1：高速加工機床三維數(shù)字化建模；步驟2：機床平面結(jié)合部動態(tài)參數(shù)計算；步驟3：機床導軌結(jié)合部動態(tài)參數(shù)計算；步驟4：高速加工機床整機結(jié)構動態(tài)特性分析計算；步驟5：高速加工機床整機結(jié)構動態(tài)設計。采用本發(fā)明提供的考慮結(jié)合部剛度的高速加工機床整機動態(tài)設計方法，能夠大幅提高高速加工機床整機結(jié)構動力學建模與動態(tài)設計精度，縮短設計周期。不僅便于高速加工機床的正向設計，而且提高一次設計成功率。

技術領域

本發(fā)明涉及一種考慮結(jié)合部剛度的高速加工機床整機動態(tài)設計方法，屬于數(shù)控機床設計領域。

背景技術

數(shù)控機床正朝著高速與高精度方向發(fā)展，產(chǎn)業(yè)界對高速加工機床的動態(tài)性能要求越來越高。建立高速加工機床整機動力學模型，開展整機動力學分析，繼而完成機床的動力學設計，是高速機床研發(fā)的首要技術環(huán)節(jié)。

研究表明：機床結(jié)合部的動態(tài)參數(shù)建模精度，是決定高速加工機床動力學設計準確性的主要因素。高速加工機床的典型結(jié)合部包括：平面結(jié)合部與滾動結(jié)合部。機床結(jié)合部剛度一直是研究熱點問題，綜合起來，國內(nèi)外學者提出的結(jié)合部參數(shù)的獲得方法，主要包括兩類：

①試驗測試法：其原理是利用錘擊的方式施加結(jié)合部以豎直和水平方向以激勵，進而得到激勵方向上的振動信號，再利用模態(tài)辨識理論得出結(jié)合部的剛度與阻尼。還有部分學者搭建了試驗臺，或者運用剛度試驗機分別進行垂直加載實驗和偏載，測得導軌滑塊相對于導軌滑軌的位移，再進行數(shù)據(jù)處理獲得導軌的線剛度和角剛度。

②理論計算法：國內(nèi)外的學者對滾珠導軌結(jié)合部剛度特性的計算進行了大量的研究。這種方法主要是將滑軌、滑塊視作剛體，運用Hertz點接觸理論等方法求解出結(jié)合部的法向剛度，在求解出結(jié)合部的剛度系數(shù)后，研究者常常還對滾珠導軌臨界載荷、滾珠導軌剛度載荷關系等進行討論；此外，還可以借助有限元分析方法來模擬滾道與滾動體的接觸變形，得到結(jié)合部的靜特性參數(shù)。

應該看到，采用結(jié)合部剛度試驗測試法，不僅費時、費力、費錢，而且不便于高速加工機床的正向設計。建立結(jié)合部剛度理論模型，在此基礎上建立考慮結(jié)合部剛度耦合的高速加工機床整機動力學模型，進而開展高速加工機床動態(tài)特性分析，最終完成高速加工機床動態(tài)設計，這是一條行之有效的途徑。就滾動導軌結(jié)合部而言，應該簡化為空間5自由度下的5個彈簧(2個線剛度與3個角剛度)。然而，滾動導軌結(jié)合部的角剛度理論計算困難，國內(nèi)外現(xiàn)有建模方法，均將滾動導軌結(jié)合部簡化為2個線剛度，忽略3個角剛度系數(shù)，不能滿足高速加工機床動態(tài)設計的需要。就平面結(jié)合部而言，目前尚缺少動態(tài)參數(shù)理論模型。

近年來，發(fā)明人致力于滾動直線導軌結(jié)合部與平面結(jié)合部剛度系數(shù)的理論建模，先后提出了滾動直線導軌結(jié)合部在5自由度下的剛度模型與平面結(jié)合部的分形幾何模型，為開展高速加工機床的整機動力學設計奠定理論基礎。

發(fā)明內(nèi)容

技術問題：針對高速加工機床整機動力學設計中存在的問題，本發(fā)明專利基于發(fā)明人提出的滾動直線導軌結(jié)合部5自由度剛度模型與平面結(jié)合部的分形幾何模型，建立考慮結(jié)合部剛度耦合的高速加工機床整機動力學模型，提出高速加工機床整機動力學設計方法，不僅便于高速加工機床正向設計，而且提高機床動態(tài)設計準確性和一次設計成功率。

技術方案：本發(fā)明所述考慮結(jié)合部剛度的高速加工機床整機動態(tài)設計方法，包括以下步驟：

步驟1：高速加工機床三維數(shù)字化建模：將高速加工機床的幾何結(jié)構、物理參數(shù)，轉(zhuǎn)化為三維CAD、CAE模型。

步驟2：機床平面結(jié)合部動態(tài)參數(shù)計算：采用平面結(jié)合部動態(tài)參數(shù)分形幾何模型，計算平面結(jié)合部的法向與切向剛度，為高速加工機床整機動態(tài)建模提供基礎數(shù)據(jù)。