[發(fā)明專利]一種用于快速刀具伺服系統(tǒng)的刀架設(shè)計方法、系統(tǒng)及介質(zhì)

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201910511769.2
• 申請日: 2019-06-13
• 公開（公告）號: CN110347117B
• 公開（公告）日: 2020-11-13
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 戴一帆;關(guān)朝亮;劉俊峰;鐵貴鵬;彭小強;石峰
• 申請（專利權(quán)）人: 中國人民解放軍國防科技大學(xué)
• 主分類號: G05B19/408
• 分類號: G05B19/408;B23B21/00
• 代理公司: 湖南兆弘專利事務(wù)所(普通合伙) 43008
• 代理人: 譚武藝

本發(fā)明公開了一種用于快速刀具伺服系統(tǒng)的刀架設(shè)計方法、系統(tǒng)及介質(zhì)，方法包括根據(jù)快速刀具伺服系統(tǒng)性能要求確定刀架的結(jié)構(gòu)形式、設(shè)計參數(shù)以及材料屬性，并給出刀架的動靜態(tài)性能的優(yōu)化目標(biāo)范圍；建立刀架有限元模型并進行分析，得到不同設(shè)計參數(shù)下刀架的動靜態(tài)性能；建立柔性刀架疲勞可靠度數(shù)學(xué)模型并結(jié)合有限分析對其進行求解，得到刀架疲勞可靠度和各設(shè)計參數(shù)的關(guān)系曲線；根據(jù)不同設(shè)計參數(shù)下刀架的動靜態(tài)性能、刀架疲勞可靠度和各設(shè)計參數(shù)的關(guān)系曲線確定刀架的設(shè)計參數(shù)。本發(fā)明結(jié)合有限元方法分析刀架疲勞可靠性，設(shè)計出的刀架結(jié)構(gòu)不僅精度高，同時具有更可靠的使用壽命。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及快速刀具伺服系統(tǒng)的柔性刀架結(jié)構(gòu)設(shè)計，具體涉及一種用于快速刀具伺服系統(tǒng)的刀架設(shè)計方法、系統(tǒng)及介質(zhì)。

背景技術(shù)

快速刀具伺服加工技術(shù)是一種新型的復(fù)雜面形加工技術(shù)，它通過控制刀具做高頻響、高精度的往復(fù)運動，與機床伺服軸運動相匹配，實現(xiàn)對非回轉(zhuǎn)對稱或復(fù)雜面形零件的超精密加工?？焖俚毒咚欧夹g(shù)的發(fā)展，為靶零件加工提供了一種新型、高效、經(jīng)濟可靠的途徑。

目前比較成熟的快速刀具伺服系統(tǒng)一般采用壓電陶瓷作為驅(qū)動元件，刀具裝在柔性刀架構(gòu)成的刀架上作為執(zhí)行元件，通過壓電陶瓷推動刀架帶動刀具工作。構(gòu)成刀架的柔性刀架是利用材料彈性回復(fù)原理設(shè)計的一種機械傳動裝置，具有傳動準確、無摩擦、不需潤滑、無空程等優(yōu)點，是快速刀具伺服系統(tǒng)應(yīng)用最成熟的運動傳遞裝置，引起了國內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注。柔性刀架在精密工程、儀器測量、航空航天以及微機電系統(tǒng)等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。

目前快速伺服刀具的刀架設(shè)計通常是基于彈性力學(xué)理論對刀架結(jié)構(gòu)參數(shù)進行優(yōu)化，在建立數(shù)學(xué)模型時會對結(jié)構(gòu)進行假設(shè)或簡化，計算出刀架剛度理論值與實際值存在一定偏差；考慮疲勞強度方面也只進行靜應(yīng)力校核，不符合高頻往復(fù)運動結(jié)構(gòu)的客觀事實。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明要解決的技術(shù)問題：針對現(xiàn)有技術(shù)的上述問題，提供一種用于快速刀具伺服系統(tǒng)的刀架設(shè)計方法、系統(tǒng)及介質(zhì)，本發(fā)明結(jié)合有限元方法分析刀架疲勞可靠性，設(shè)計出的刀架結(jié)構(gòu)不僅精度高，同時具有更可靠的使用壽命，能夠使設(shè)計的刀架在保持高線性度、重復(fù)定位精度、表面跟蹤能力同時提高其疲勞可靠度。

為了解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明采用的技術(shù)方案為：

一種用于快速刀具伺服系統(tǒng)的刀架設(shè)計方法，實施步驟包括：

1)根據(jù)快速刀具伺服系統(tǒng)性能要求確定刀架的結(jié)構(gòu)形式、設(shè)計參數(shù)以及材料屬性，并給出刀架的動靜態(tài)性能的優(yōu)化目標(biāo)范圍；

2)建立刀架有限元模型并進行分析，得到不同設(shè)計參數(shù)下刀架的動靜態(tài)性能；

3)建立柔性刀架疲勞可靠度數(shù)學(xué)模型并結(jié)合有限元模型分析對其進行求解，得到刀架疲勞可靠度和各設(shè)計參數(shù)的關(guān)系曲線；

4)根據(jù)不同設(shè)計參數(shù)下刀架的動靜態(tài)性能、刀架疲勞可靠度和各設(shè)計參數(shù)的關(guān)系曲線確定刀架的設(shè)計參數(shù)。

優(yōu)選地，步驟1)中根據(jù)快速刀具伺服系統(tǒng)性能要求確定刀架的結(jié)構(gòu)形式的步驟包括：建立快速刀具伺服系統(tǒng)機械部分簡化的質(zhì)量-彈簧-阻尼系統(tǒng)，所述質(zhì)量-彈簧-阻尼系統(tǒng)的運動為典型的二階運動，質(zhì)量為M的刀架運動塊在陶瓷驅(qū)動力F的作用下在y方向和繞z軸分別相應(yīng)產(chǎn)生位移Δy和轉(zhuǎn)角α，w為兩個平行鉸鏈之間的間距，L為鉸鏈總長，根據(jù)典型二階系統(tǒng)的階躍響特點可得到刀架運動塊質(zhì)量、剛度和阻尼對系統(tǒng)響應(yīng)性能的影響；根據(jù)刀架的彈性回復(fù)加速度應(yīng)不小于壓電陶瓷的彈性回復(fù)加速度、壓電陶瓷被刀架剛度吃掉部分行程后的最大輸出位移大于系統(tǒng)輸出位移指標(biāo)得到刀架剛度的選取范圍；結(jié)合刀架運動塊質(zhì)量、剛度和阻尼對系統(tǒng)響應(yīng)性能的影響以及刀架剛度的選取范圍，確定直梁型刀架結(jié)構(gòu)形式。

優(yōu)選地，步驟1)中材料屬性具體是指結(jié)合材料屬性和價格確定。

優(yōu)選地，步驟1)中的設(shè)計參數(shù)包括圓弧半徑R、最小厚度t和直梁長度l。