CN102043876B - 一种满足高加速度要求的机床运动部件实现方法 - Google Patents

Abstract

一种满足高加速度要求的机床运动部件实现方法：(1)确定运动部件的密度、弹性模量、摩擦系数、基本外形尺寸范围及所选取的电机功率等工况参数；(2)以部件负载惯量为优化设计目标函数，选取设计变量，确定约束条件，并建立其优化设计数学模型；(3)采用MATLAB算法求解该优化问题，确定部件的最优外形尺寸；(4)建立部件的三维模型；(5)采用虚拟样机技术，通过多刚体动力学软件对系统进行仿真分析。检验部件运动加速度是否达到要求；(6)通过有限元分析软件对运动部件的高加速度启动运动进行分析，对部件的薄弱位置进行改进设计；(7)确定部件在高加速度运行时的机械误差，进而可以在数控编程中进行实时补偿。本发明实现了用简单方法完成复杂工况下运动部件的设计，在保证产品质量的同时，大大缩短产品的研制周期，降低研制成本。

Description

一种满足高加速度要求的机床运动部件实现方法

技术领域

本发明涉及一种满足高加速度要求的机床运动部件实现方法，属于高速高精数控加工技术领域。

背景技术

高速高精加工中心是目前世界上最先进的数控机床，随着制造业的不断发展，机床启动加速度成为机床的重要设计参数，然而加速度值的不断提高对机床运行部件的静动刚度提出了严格要求，如何保证运动部件在高加速度运行时的稳定性、可靠性是机床设计中的关键技术。虽然目前机床机械优化方法众多，但尚没有形成专门针对高加速运动部件的完整技术。

发明内容

本发明的技术解决问题：克服现有技术的不足，提供一种满足高加速度(1g以上)要求的机床运动部件实现方法，该方法采用简单方法完成复杂工况下运动部件的设计，在保证产品质量的同时，大大缩短产品的研制周期，降低研制成本。

本发明的技术解决方案：一种满足高加速度要求的机床运动部件实现方法，所述高加速度≥1g，其实现步骤如下：

(1)确定工况参数

确定所述机床运动部件的密度、弹性模量、摩擦系数、工作环境温度及所选取的电机功率工况参数，所述电机功率工况参数包括电机功率、电机效率和最高转速，上述所有参数将作为步骤(2)中的设计变量；然后确定机床运动部件基本外形尺寸范围，包括机床运动部件形状、长度、宽度、高度及直径D＞20mm的较大孔径的尺寸，并将所确定的尺寸范围作为步骤(2)中的约束条件之一；

(2)以机床运动部件负载惯量为优化设计目标函数，选取设计变量，确定约束条件，并建立优化设计数学模型；

以机床运动部件负载惯量为优化设计目标函数，若机床运动部件做直线运动则直接将机床运动部件质量M作为负载惯量，即目标函数，若机床运动部件做旋转运动，则以机床运动部件转动惯量作为负载惯量，即目标函数，所述转动惯量是指刚体中每个质点的质量与这一质点到转轴距离的平方的乘积的总和，

(J-物体的转动惯量；r_i-第i个质点单元质心距离旋转轴的距离，i＝1，2，...；

-第i个质点单元质量)；

所述设计变量是指能够调整和优选的独立参数；选取设计变量的原则：以能够确定机床运动部件基本外形为基本原则，所有不确定量均选做设计变量，若机床运动部件基本外形为矩形，则基本设计变量为机床运动部件的长、宽和高，若有直径D＞20mm较大孔，则设计变量还应包括孔径尺寸及确定孔位置的参数；

所述约束条件包括：机床行程范围、已确定机床部件的外形及尺寸约束了设计变量的大小范围，电机功率、部件加速度设计指标限制了部件质量；

确定机床运动部件外形，利用步骤(1)所确定的机床运动部件的密度、弹性模量、摩擦系数、电机功率工况参数给出机床运动部件负载惯量表达式，建立机床运动部件的优化设计数学模型；

(3)采用MATLAB算法求解该优化问题，确定机床运动部件基本外形尺寸的最优取值

利用步骤(1)中所确定的参数，根据负载惯量计算公式确定目标函数，MATLAB中有针对不同情况优化问题的内置算法，调用约束条件下的非线性优化函数-fmincon函数，通过计算，得出设计变量的最优值；

(4)定义机床运动部件的材料属性，所述材料属性为密度和弹性模量，根据步骤(2)所确定的机床运动部件尺寸，运用CAD软件建立机床运动部件的三维模型；

(5)利用步骤(4)所建立的机床运动部件三维模型，采用虚拟样机技术，通过多刚体动力学软件对系统进行仿真分析，设置好步骤(1)所确定的机床部件运动的摩擦系数、环境温度，检验机床运动部件运动加速度是否达到设计指标；若仿真结果满足要求，则直接进入步骤(6)，否则应通过小范围，所述小范围4-6mm，改变最优尺寸以减小部件负载惯量，返回步骤(4)重新建模；

(6)通过有限元分析设置机床部件运动参数，所述机床部件运动参数包括启动加速度、运行时间和工作环境温度，查看机床部件运行过程中的应变值，若机床运动部件在运行过程中应变值在许可范围(依设计要求确定)内，则认为机床运动部件设计合理，进入步骤(7)，若机床运动部件某处位置应变值远远超出机床精度要求，则视为机床运动部件的薄弱处，根据结果通过增大壁板厚度或是改进部件内部筋板布置对机床运动部件的薄弱位置进行改进，完成后返回步骤(4)，重新检验机床运动部件设计是否满足要求；

(7)记录满足设计要求的机床运动部件在仿真运行过程时中间时刻的位置，确定机床运动部件在此加速度启动运行时的机械误差；将机械误差在数控编程中进行实时补偿，进而提高机床的定位精度。

本发明与现有技术相比的优点在于：目前机械优化设计方法众多，终极目标都是在保证产品质量的同时降低产品制造成本，等到成品完全生产出来之后通过试验测试以检验产品设计是否达到设计要求，不满足再重新更改设计，这样一来产品设计周期大大延长、研制成本也相应提高；现在仿真技术、有限元分析技术日益成熟，但是将此技术运用到产品设计阶段的却很少，本发明就是将机械优化设计方法、仿真技术、有限元分析技术结合起来，专门针对高加速度机床运动部件的设计方法，在能够完全满足在高加速度下机床运动部件的静动刚度的要求，提高了机床在高加速度下的可靠性，而且在保证了产品质量的同时，大大缩短产品的研制周期，降低研制成本。

附图说明

图1为本发明的方法实现流程图；

图2为本发明中机床滑动箱外形结构示意图；

图3为主轴箱与滑动箱的相对位置示意图，其中1-主轴箱，2-滑动箱；

图4为本发明中主轴箱初始结构示意图，其中a为主轴箱俯视图，b为主轴箱侧面剖视图。

具体实施方式

本发明的步骤包括：(1)确定机床运动部件的密度、弹性模量、摩擦系数、基本外形尺寸范围及所选取的电机功率等工况参数；(2)以部件负载惯量为优化设计目标函数，选取设计变量，确定约束条件，并建立其优化设计数学模型；(3)采用MATLAB算法求解该优化问题，确定部件的最优外形尺寸；(4)建立部件的三维模型；(5)采用虚拟样机技术，通过多刚体动力学软件对系统进行仿真分析。检验部件运动加速度是否达到要求；(6)通过有限元分析软件对运动部件的高加速度启动运动进行分析，对部件的薄弱位置进行改进设计；(7)确定部件在高加速度运行时的机械误差，进而可以在数控编程中进行实时补偿。

机床运动部件主要包括工作台、滑动箱和主轴箱，其中主轴箱的设计是保证机床加速度的关键，而工作台和滑动箱的结构设计早已确定，在机床高加速度运动下影响不大，因此本发明实施例的机床运动部件主要是以主轴箱为例进行说明。

如图1所示，以某高速立式加工中心的主轴箱设计为例说明本发明具体的过程：

1、确定运动部件的密度ρ、弹性模量E、摩擦系数μ、工作环境温度t、基本外形尺寸范围及所选取的电机功率W等工况参数。

实施例中主轴箱材料为铸铁，密度ρ＝7200kg/mm³、弹性模量E＝110000Mpa、摩擦系数μ＝0.04，工作环境温度t为常温20摄氏度。高速立式加工中心的驱动电机功率为35kw，机床最高进给加速度为1g，最高进给速度为60m/min，因此主轴箱系统的最大质量不能超过1750kg。此处机床滑动箱外形结构设计已确定，附图2即滑动箱的外形结构示意图，主轴箱安装在滑动箱上，具体安装位置见附图3，初步将主轴箱外形定为立方体结构，与主轴连接位置采用孔结构形式与主轴进行过盈配合，结构示意图见附图4。根据机床设计参数(Z轴行程为400mm)及机床滑动箱、立柱外形尺寸，确定主轴箱各设计变量约束如下：

l₁，l₂，l₃，l₄，d代表的具体尺寸见附图4。

2、以运动部件负载惯量为优化设计目标函数，选取设计变量，确定约束条件，并建立其优化设计数学模型min F(X)(X为设计变量，以负载惯量最小为优化目标)，实施例中主轴运动系统直接由直线电机驱动做进给运动，因此此处将运动部件的质量M作为目标函数，需要指出的是，此步骤只能确定结构的基本外形，至于部件的内部筋板布置是无法确定的，因此可以根据具体情况按经验将筋板质量折算到运动系统总质量中，实例中假设筋板质量占系统总质量的20％，根据步骤1确定的主轴箱基本外形、约束条件，列出目标函数为M＝1.2ρ{l₁l₂l₄-0.25πD²l₄+[l₁l₂-(l₁-2d)(l₂-2d)](l₃-l₄)}。

3、采用MATLAB算法求解该优化问题，确定部件的最优外形尺寸。直接调用MATLAB算法中的fmincon函数，确定主轴箱的最优外形尺寸。经过计算得优化尺寸如下：

$\left\{\begin{array}{c}{l}_1=300\\ l_2=300\\ l_3=1500\\ l_4=300\\ d=25\end{array}\right.$

主轴系统总质量大约为651kg，满足主轴箱系统的最大质量不超过1750kg的要求。

4、建立部件的三维模型；根据步骤3确定的主轴箱外形尺寸，利用proe软件建立主轴箱三维模型，此外还需建立主轴三维模型(主轴已定)，建立零件模型之后，完成主轴系统装配。此步骤是为步骤4中检验零件结构设计的合理性，为系统动力学分析和运动仿真分析提供基础。

5、采用虚拟样机技术，通过多刚体动力学软件对系统进行仿真分析。检验部件运动加速度是否达到要求。这是一个循环过程，如果根据步骤3计算结果所设计的部件满足加速度要求，则采取此设计方案进入步骤6，若仿真分析所得加速度未达到设计要求，则应通过适当减小外形尺寸，降低运动部件重量，进而减小部件负载惯量保证加速度的提高，尺寸修改后返回步骤4重新建模。

实施例中，设置部件运行环境，摩擦系数μ＝0.04，工作环境温度t为常温20摄氏度，通过仿真计算证明在电机最大驱动力作用下部件加速度完全可以达到1g，因此可以初步认为部件的设计是合理的。

6、通过有限元分析软件对运动部件的高加速度启动运动进行分析，对部件的薄弱位置进行改进设计，实施例中主轴箱结构并未出现较大应力应变位置，因此无需再进行改进设计。

7、研究该系统在固定行程588mm下，各个加速度启动运行条件下的定位误差，见表1.实施例中，通过有限元仿真分析得由于部件结构自身引起的机械误差大约占总行程的3％左右，因此可将此结果反馈到数控编程，进而提高机床的加工精度。

表1各加速度运行时仿真分析结果

加速度	总运行时间	加速时间	等速时间	减速时间	仿真结果	误差
							1g	0.7	0.1	0.5	0.1	559.498	4.8％
1g	0.5	0.2	0.1	0.2	572.012	2.7％
							0.9g	0.5333	0.2	0.1333	0.2	571.134	2.9％
0.8g	0.575	0.2	0.175	0.2	572.095	2.7％
							0.7g	0.62857	0.2	0.22857	0.2	572.097	2.7％
0.6g	0.7	0.2	0.3	0.2	572.493	2.6％
							0.5g	0.8444	0.2	0.4444	0.2	615.284	4.6％
0.4g	0.95	0.2	0.55	0.2	574.316	2.3％
							0.3g	1.2	0.2	0.8	0.2	574.49	2.3％
0.2g	1.7	0.2	1.3	0.2	572.617	2.6％
							0.1g	3.2	0.2	2.8	0.2	584.621	0.6％

本发明未详细阐述部分属于本领域公知技术。

Claims (1)

1.一种满足高加速度要求的机床运动部件实现方法，所述高加速度≥1g，其特征在于实现步骤如下：

(1)确定工况参数：

确定所述机床运动部件的密度、弹性模量、摩擦系数、工作环境温度及所选取的电机功率工况参数，所述电机功率工况参数包括电机功率、电机效率和最高转速，上述所有参数将作为步骤(2)中的设计变量；然后确定机床运动部件基本外形尺寸范围，包括机床运动部件形状、长度、宽度、高度及直径D＞20mm的较大孔径的尺寸，并将所确定的尺寸范围作为步骤(2)中的约束条件之一；

(2)以机床运动部件负载惯量为优化设计目标函数，选取设计变量，确定约束条件，并建立优化设计数学模型min F(X)，X为设计变量，以负载惯量最小为优化目标：

以机床运动部件负载惯量为优化设计目标函数，若机床运动部件做直线运动则直接将机床运动部件质量M作为负载惯量，即目标函数，若机床运动部件做旋转运动，则以机床运动部件转动惯量作为负载惯量，即目标函数，所述转动惯量是指刚体中每个质点的质量与这一质点到旋转轴距离的平方的乘积的总和，

J-物体的转动惯量；r_i-第i个质点单元质心距离旋转轴的距离；

-第i个质点单元质量；其中，i＝1，2，...；

所述设计变量是指能够调整和优选的独立参数；选取设计变量的原则：以能够确定机床运动部件基本外形为基本原则，所有不确定量均选做设计变量，若机床运动部件基本外形为矩形，则基本设计变量为机床运动部件的长、宽和高，若有直径D＞20mm较大孔，则设计变量还应包括孔径尺寸及确定孔位置的参数；

所述约束条件包括：机床行程范围、已确定机床运动部件的外形及尺寸约束了设计变量的大小范围，电机功率、机床运动部件加速度设计指标限制了机床运动部件质量；

确定机床运动部件外形，利用步骤(1)所确定的机床运动部件的密度、弹性模量、摩擦系数、电机功率工况参数给出机床运动部件负载惯量表达式，建立机床运动部件的优化设计数学模型；

(3)采用MATLAB算法求解所述数学模型的优化问题，确定机床运动部件基本外形尺寸的最优取值：

MATLAB中有针对不同情况优化问题的内置算法，调用约束条件下的非线性优化函数，即fmincon函数，通过计算，得出机床运动部件基本外形尺寸的最优取值；

(4)定义机床运动部件的材料属性，所述材料属性为密度和弹性模量，根据步骤

(3)所确定的机床运动部件基本外形尺寸的最优取值，运用CAD软件建立机床运动部件的三维模型；

(5)利用步骤(4)所建立的机床运动部件三维模型，采用虚拟样机技术，通过多刚体动力学软件对系统进行仿真分析，设置好步骤(1)所确定的机床运动部件的摩擦系数、工作环境温度，检验机床运动部件运动加速度是否达到设计指标；若仿真结果满足要求，则直接进入步骤(6)，否则应通过小范围，所述小范围为4-6mm，改变最优尺寸以减小机床运动部件负载惯量，返回步骤(4)重新建模；

(6)通过有限元分析设置机床运动部件参数，所述机床运动部件参数包括启动加速度、运行时间和工作环境温度，查看机床运动部件运行过程中的应变值，若机床运动部件在运行过程中应变值在许可范围内，则认为机床运动部件设计合理，进入步骤(7)，若机床运动部件某处位置应变值远远超出机床精度要求，则视为机床运动部件的薄弱处，根据结果通过增大壁板厚度或是改进机床动作部件内部筋板布置对机床运动部件的薄弱位置进行改进，完成后返回步骤(4)，重新检验机床运动部件设计是否满足要求；

(7)记录满足设计要求的机床运动部件在仿真运行过程时中间时刻的位置，确定机床运动部件在此加速度启动运行时的机械误差；将机械误差在数控编程中进行实时补偿，进而提高机床的定位精度。

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