[發(fā)明專利]一種機(jī)床整機(jī)靜剛度設(shè)計(jì)方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 202011409008.5
• 申請日: 2020-12-03
• 公開（公告）號: CN112417736B
• 公開（公告）日: 2022-08-16
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 黃田;馬一為;牛文鐵
• 申請（專利權(quán)）人: 天津大學(xué)
• 主分類號: G06F30/23
• 分類號: G06F30/23;G06F30/17;G06F111/04;G06F119/14
• 代理公司: 天津市北洋有限責(zé)任專利代理事務(wù)所 12201
• 代理人: 王蒙蒙

本發(fā)明公開了一種機(jī)床整機(jī)靜剛度設(shè)計(jì)方法：采用靜態(tài)凝聚方法以及結(jié)合部剛性假設(shè)，建立部件六自由度靜剛度模型；根據(jù)并聯(lián)彈簧變形相等、載荷疊加的原理，建立結(jié)合部六自由度接觸剛度模型；建立整機(jī)末端相對靜剛度模型；以整機(jī)末端相對靜剛度為約束條件，依據(jù)所建立模型計(jì)算整機(jī)結(jié)構(gòu)中各部件及結(jié)合部靜剛度對末端剛度的貢獻(xiàn)率，同時確定其設(shè)計(jì)范圍，采用由整機(jī)末端相對靜剛度至各部件及結(jié)合部靜剛度的設(shè)計(jì)流程對各部件及結(jié)合部靜剛度進(jìn)行快速匹配設(shè)計(jì)。本發(fā)明能夠在初始設(shè)計(jì)、優(yōu)化分析以及結(jié)構(gòu)修改階段快速計(jì)算機(jī)床整機(jī)在全域工作空間內(nèi)的的末端靜剛度分布，設(shè)計(jì)符合末端靜剛度約束的部件及結(jié)合部模型，提高了設(shè)計(jì)效率和準(zhǔn)確性，降低生產(chǎn)制造成本。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及機(jī)床領(lǐng)域，特別涉及一種機(jī)床整機(jī)靜剛度設(shè)計(jì)方法，可有效解決整機(jī)靜剛度建模及匹配設(shè)計(jì)的難題。

背景技術(shù)

靜剛度是評價機(jī)床末端承載能力的重要性能指標(biāo)，其表征了切削力作用后抵抗彈性變形的能力。建立能夠反映部件及結(jié)合部局部剛度與末端剛度間顯示映射關(guān)系的靜剛度模型是指導(dǎo)靜剛度匹配設(shè)計(jì)的首要環(huán)節(jié)。傳統(tǒng)的靜剛度建模大多借助商用有限元軟件，其計(jì)算精確，但效率較低，對于工作空間的不同位置需要重新建模，浪費(fèi)大量的時間和人力。因此，研究可以快速準(zhǔn)確預(yù)估工作空間內(nèi)靜剛度分布的建模方法，揭示部件及結(jié)合部的彈性對末端剛度的貢獻(xiàn)并以此為依據(jù)進(jìn)行匹配設(shè)計(jì)均是有待研究的問題。

發(fā)明內(nèi)容

針對傳統(tǒng)的靜剛度建模以及設(shè)計(jì)過程中完全依賴全有限元軟件的技術(shù)問題，本發(fā)明提供一種面向機(jī)床的整機(jī)靜剛度半解析建模及匹配設(shè)計(jì)方法，從而獲得機(jī)床各部件靜剛度及機(jī)床各結(jié)合部靜剛度。考慮到整機(jī)末端六維靜剛度實(shí)質(zhì)上是各部件以及結(jié)合部彈性在末端的綜合反映，且在匹配設(shè)計(jì)過程中通常以末端靜剛度為首要目標(biāo)，因此本發(fā)明采用“自底向上”的思路建立機(jī)床末端靜剛度模型，采用“自頂向下”的設(shè)計(jì)思路對各部件/結(jié)合部的靜剛度進(jìn)行匹配設(shè)計(jì)。

本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是：一種機(jī)床整機(jī)靜剛度設(shè)計(jì)方法，包括以下步驟：

步驟1，將機(jī)床整機(jī)結(jié)構(gòu)分為部件和結(jié)合部兩大類，采用靜態(tài)凝聚方法以及結(jié)合部剛性假設(shè)，建立部件的六自由度靜剛度模型；

步驟2，將結(jié)合部從力學(xué)角度抽象為過約束并聯(lián)系統(tǒng)，根據(jù)并聯(lián)彈簧變形相等、載荷疊加的原理，建立結(jié)合部的六自由度接觸剛度模型；

步驟3，建立整機(jī)末端相對靜剛度模型；

步驟4，以整機(jī)末端相對靜剛度為約束條件，依據(jù)步驟3所建立的整機(jī)末端相對靜剛度模型計(jì)算出整機(jī)結(jié)構(gòu)中各部件及結(jié)合部靜剛度對末端剛度的貢獻(xiàn)率，同時確定各部件及結(jié)合部靜剛度的設(shè)計(jì)范圍；

步驟5，在步驟4所確定的設(shè)計(jì)范圍的基礎(chǔ)上，采用由整機(jī)末端相對靜剛度至各部件及結(jié)合部靜剛度的設(shè)計(jì)流程，依據(jù)步驟1所建立的部件的六自由度靜剛度模型、步驟2所建立的結(jié)合部的六自由度接觸剛度模型和步驟3建立的整機(jī)末端相對靜剛度模型對各部件及結(jié)合部靜剛度進(jìn)行快速匹配設(shè)計(jì)，獲得機(jī)床各部件靜剛度及機(jī)床各結(jié)合部靜剛度。

進(jìn)一步地，步驟1中，所述的部件包括床身(1)、立柱(2)、溜板(3)、主軸箱(4)、主軸(5)、工作臺(6)和轉(zhuǎn)臺(7)；所述的結(jié)合部包括移動結(jié)合部、轉(zhuǎn)動結(jié)合部和固定結(jié)合部。

進(jìn)一步地，步驟1中，所述的采用靜態(tài)凝聚方法以及結(jié)合部剛性假設(shè)，建立部件的六自由度靜剛度模型，包括：

步驟1-1，以刀具鏈(8)及工件鏈(9)中的單個彈性部件為對象，將彈性部件抽象為子結(jié)構(gòu)，記為編號i，并將彈性部件上的結(jié)合部編號分別記為i及i+1，約束結(jié)合部i，在結(jié)合部i+1處施加六維外載荷；基于解析法和有限元法相結(jié)合的思想，采用靜態(tài)凝聚方法，建立子結(jié)構(gòu)半解析靜力學(xué)模型如下：

k⁽ⁱ⁾u⁽ⁱ⁾＝f⁽ⁱ⁾ (1)