CN103279536B - 一种面向机床有限元分析的导轨滑块数据库建立方法 - Google Patents

Abstract

一种面向机床有限元分析的导轨滑块数据库建立方法:依据供应商手册，提取CAD模型驱动参数及动力学分析参数，并建立数据库;依据数据库驱动参数，建立相应导轨滑块组件的CAD参数化几何模型;从数据库中提取驱动参数，利用有限元分析软件的命令流语言的点、线、面命令，建立简化的等效模型，用于有限元分析;通过CAD及CAE软件二次开发，从数据库中提取导轨滑块组件有限元分析参数，利用限元分析软件的命令流语言，加载至导轨滑块副动力学模型。本发明实现机床设计过程中导轨滑块组件CAD与CAE模型、仿真分析知识集成，分析模型自动化建立，为机床的设计与仿真分析的提供支撑，同时可扩展到其他应用导轨滑块组件的机械结构设计领域。

Description

一种面向机床有限元分析的导轨滑块数据库建立方法

技术领域

本发明涉及一种机床导轨滑块数据库建立方法。特别是涉及一种面向机床有限元分析的导轨滑块数据库建立方法。

背景技术

目前的机床导轨滑块模型只有单纯的几何信息，仅应用于机床设计阶段;而进行机床有限元仿真分析时，需要在有限元软件内手动设置材料属性、结合面参数等分析参数，操作繁琐且容易出错。机床设计人员要花费大量的时间在重复性工作上，造成设计资源的浪费，且对机床有限元分析的效率和稳定性影响很大。因此，建立一种面向机床有限元分析的导轨滑块数据库，为实现机床设计与仿真分析的集成提供支撑，尤为重要。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，提供一种能够实现机床设计过程中导轨滑块组件CAD与CAE模型、仿真分析知识集成，分析模型自动化建立的面向机床有限元分析的丝杠螺母数据库建立方法。

本发明所采用的技术方案是:一种面向机床有限元分析的导轨滑块数据库建立方法，包括如下步骤:

(1)依据供应商手册，提取CAD模型驱动参数及动力学分析参数，并建立数据库;

所述的CAD模型驱动参数包括:零件建模主驱动参数，用于驱动零件的建模;零件建模顺序驱动参数，用于确定零件的建模顺序及零件间的主驱动参数关系;

所述的动力学分析参数包括材料属性和结合面参数，用于有限元分析，其中，材料属性主要包括密度、弹性模量、泊松比、热膨胀系数和热传导率;结合面参数主要为滑块副刚度;

(2)依据数据库驱动参数，建立相应导轨滑块组件的CAD参数化几何模型;

(3)从数据库中提取驱动参数，利用有限元分析软件的命令流语言的点、线、面命令，建立简化的等效模型，用于有限元分析;

(4)通过CAD及CAE软件二次开发，从数据库中提取导轨滑块组件有限元分析参数，利用限元分析软件的命令流语言，加载至导轨滑块副动力学模型。

步骤(1)所述的零件建模主驱动参数包括:导轨驱动参数为导轨长度和导轨宽度;滑块驱动参数为滑块宽度。

步骤(1)所述的零件建模顺序驱动参数是:导轨建模驱动滑块建模，根据装配关系，后建模的零件的主驱动参数依据先建模的零件的对应参数确定。

步骤(2)所述的建立相应导轨滑块组件的CAD参数化几何模型是:百先，依据零件驱动参数数据库，确定零件建模顺序:导轨→滑块，先建模的零件驱动后建模的零件;然后依据零件模型尺寸参数数据库，建立导轨、滑块CAD模型;最后，根据导轨滑块组件装配关系，生成导轨滑块组件装配模型。

步骤(2)所述的建立相应导轨滑块组件的CAD参数化几何模型的过程如下:

1)依据零件驱动参数数据库，首先使用导轨长度和宽度驱动数据库中导轨的其他尺寸参数建立导轨CAD参数化模型;

2)根据导轨宽度，确定与该导轨对应的滑块宽度值，再使用滑块宽度驱动数据库中滑块的其他尺寸参数建立滑块CAD参数化模型;

3)根据导轨与滑块间预设的装配关系，建立导轨滑块组件的自动化装配模型。

步骤(3)所述的CAD模型的驱动参数包括:导轨长度、宽度和高度，滑块长度、宽度和高度。

步骤(3)所述的建立简化的导轨滑块副动力学模型如下:

(1)将导轨简化为一根梁单元，其宽度和高度与导轨CAD模型的宽度和高度相同，长度与导轨CAD模型的长度相同;

(2)滑块部分由滚动体和滑块安装面表示;滚动体由一个节点代表，与导轨上对应位置的节点重合，用轴承刚度单元连接，能够添加X、Y、Z三个轴向刚度和阻尼值;滑块安装面简化为壳单元，与滚动体应用Mean单元连接，Mean单元表示滚动体（Node)的位移取滑块安装面上节点位移的平均值。

步骤(4)是从数据库中提取有限元分析参数，通过限元分析软件二次开发程序，应用限元分析软件的命令流语言将导轨滑块有限元分析参数自动加载至等效CAE模型中。

分析参数包括:1)各零件材料属性:密度、弹性模量、泊松比、热膨胀系数和热传导率，添加至各零件模型上;2)动力学参数:轴承副的刚度和阻尼值、螺母副的刚度和阻尼值，添加至等效模型的Bearing刚度连接单元上。

通过限元分析软件二次开发程序，从数据库中提取分析参数后，利用限元分析软件的命令流语言，将分析参数加载至导轨滑块有限元分析模型，为机床的设计与仿真分析的提供支撑。

本发明的一种面向机床有限元分析的导轨滑块数据库建立方法，实现机床设计过程中导轨滑块组件CAD与CAE模型、仿真分析知识集成，分析模型自动化建立，为机床的设计与仿真分析的提供支撑，同时可扩展到其他应用导轨滑块组件的机械结构设计领域。本发明的优点是:(1)应用导轨滑块CAD模型参数，驱动CAE建模，实现机床设计过程中导轨滑块组件CAD与CAE模型、仿真分析知识集成;(2)通过CAE二次开发，实现CAE分析模型自动化建立、有限元分析参数的自动加载，为机床的设计与仿真分析的提供支撑。

附图说明

图1是本发明的导轨滑块组件模型示意图;

图2是本发明的导轨滑块结构类图;

图3是本发明的导轨滑块SAMCEF等效模型;

图4是本发明的机床CAD/CAE集成有限元分析流程图。

图中

1:导轨 2:滑块

3:导轨滑块组件 4:导轨等效模型

5:滑块等效模型 6:滚动体等效模型

具体实施方式

下面结合实施例和附图对本发明的一种面向机床有限元分析的导轨滑块数据库建立方法做出详细说明。

本发明的一种面向机床有限元分析的导轨滑块数据库建立方法，依据供应商手册，提取CAD模型驱动参数及动力学分析参数，并建立数据库;然后根据数据库建立相应导轨滑块组件的CAD参数化模型和简化的CAE导轨滑块副动力学模型;最后，通过CAD及CAE软件二次开发，实现导轨滑块组件CAD参数和分析参数读取及CAE等效分析模型的自动化创建。

本发明的一种面向机床有限元分析的导轨滑块数据库建立方法，其特征征于，包括如下步骤:

(1)依据供应商手册，提取CAD模型驱动参数及动力学分析参数，并建立数据库;

将导轨滑块组件分为导轨、滑块2部分，依据供应商手册，提取CAD模型驱动参数和动力学分析参数，建立零件模型尺寸参数数据库。

所述的CAD模型驱动参数包括零件模型驱动参数和建模顺序驱动参数，用于零件模型的建立。其中，零件模型驱动参数用于驱动零件的建模;建模顺序驱动参数用于确定零件的建模顺库，即后建模零件与先建模零件间的主参数对应关系。

所述的零件建模主驱动参数包括:导轨驱动参数为导轨长度和导轨宽度;滑块驱动参数为滑块宽度。

所述的零件建模顺序驱动参数是:导轨建模驱动滑块建模，根据装配关系，后建模的零件的主驱动参数依据先建模的零件的对应参数确定。

所述的动力学分析参数包括材料属性和结合面参数，用于有限元分析，其中，材料属性主要包括密度、弹性模量、泊松比;结合面参数主要为滑块副刚度;

(2)依据数据库驱动参数，建立相应导轨滑块组件的CAD参数化几何模型;

参考图1和图2，所述的建立相应导轨滑块组件的CAD参数化几何模型是:百先，依据零件驱动参数数据库，确定零件建模顺序:导轨→滑块，先建模的零件驱动后建模的零件;然后依据零件模型尺寸参数数据库，建立导轨、滑块CAD模型;最后，根据导轨滑块组件装配关系，生成导轨滑块组件装配模型。

这样，只修改导轨模型驱动参数，即可生成整个导轨滑块组件装配模型，减少了复杂的驱动参数问题。

所述的建立相应导轨滑块组件的CAD参数化几何模型的过程如下:

1)依据零件驱动参数数据痒，百先使用导轨长度和宽度驱动数据库中导轨的其他尺廿参数建立导轨CAD参数化模型;

2)根据导轨宽度，确定与该导轨对应的滑块宽度值，再使用滑块宽度驱动数据库中滑块的其他尺寸参数建立滑块CAD参数化模型;

3)根据导轨与滑块间预设的装配关系，建立导轨滑块组件的自动化装配模型。

(3)根据导轨滑块主要尺寸参数，有限元分析软件(SAMCEF)内，特有的点、线、面建模工具可以创建简化的导轨滑块组件等效模型。因此可以从数据库中提取驱动参数，利用SAMCEF自带的Bacon命令流语言，驱动SAMCEF创建简化的等效模型。

所述的CAD模型的驱动参数包括:导轨长度、宽度和高度，滑块长度、宽度和高度等。

参考图2和图3，从数据库中读取导轨滑块组件模型驱动参数，利用有限元分析软件SAMCEF特有的点、线、面建模工具创建等效简化的导轨滑块副动力学模型，用于有限元分析。模型驱动参数包括:导轨长度、宽度和高度，滑块长度、宽度和高度等。详细模型如下所示:

1)将导轨简化为一根杆(Beam)单元，其宽度和高度与导轨CAD模型相同，长度与导轨CAD模型的长度相同;

2)滑块部分由滚动体和滑块安装面表示;滚动体由一个节点（Node)代表，与导轨上对应位置的节点重合，用轴承(Bearing)刚度单元连接，能够添加X、Y、Z三个轴向刚度和阻尼值;滑块安装面简化为壳(Shell）单元，与滚动体应用Mean单元连接，Mean单元表示滚动体（Node)的位移取滑块安装面(SheLL）叨上节点位移的平均值。

(4)通过CAD及CAE软件二次开发，实现导轨滑块组件CAD参数、分析参数读取及CAE等效分析模型的自动化创建，即读取有限元分析参数，实现CAE自动化加载。

参考图4，从数据库中提取有限元分析参数，通过SAMCEF二次开发程序，应用Bacon命令流语言将导轨滑块有限元分析参数自动加载至等效CAE模型中。所述的分析参数包括:1)各零件材料属性:密度、弹性模量、泊松比、热膨胀系数和热传导率，添加至各零件模型上;2)动力学参数:轴承副的刚度和阻尼值、螺母副的刚度和阻尼值，添加至等效模型的Bearing刚度连接单元上。

通过SAMCEF二次开发程序，从数据库中提取分析参数后，利用有Bacon语言，将所提取的分析参数加载至导轨滑块有限元分析模型，为机床的设计与仿真分析的提供支撑。

下面给出一个具体实例:

第一步:提取CAD模型驱动参数及动力学分析参数，建立数据库

依据供应商提供的导轨滑块样本手册，提取CAD模型驱动参数及动力学分析参数。

(l)CAD模型驱动参数包括零件模型驱动参数、建模顺序驱动参数和装配模型驱动参数。其中，零件模型驱动参数用于驱动零件的建模，建模顺序驱动参数用于确定零件的建模顺序，即后建模零件与先建模零件间的主参数对应关系。

(2)动力学分析参数包括材料属性、结合面参数等，用于有限元分析。其中，材料属性主要包括密度、弹性模量、泊松比等;结合面参数主要包括:滑块副刚度。

参考表1表2和表3，导轨长度和导轨宽度为导轨的模型驱动参数，用于驱动导轨建模;导轨宽度为建模顺序驱动参数，用于确定滑块宽度，进而驱动滑块的建模;材料属性和滑块副刚度为动力学分析参数，用于后期有限元分析。

表1导轨尺寸参数表

表2滑块尺寸参数表

表3导轨滑块组件动力学分析参数表

第二步:建立导轨滑块组件的CAD参数化几何模型

参考图1和图2，首先，从数据库中读取建模顺序驱动参数，确定零件建模顺序:导轨→滑块;零件间的驱动关系为:导轨宽度驱动滑块宽度;然后读取各零件的尺寸参数数据库，依次建立其CAD参数化几何模型;最后，根据装配关系，建立导轨滑块装配模型，用于机床设计阶段的导轨滑块装配。

第三步:建立简化的导轨滑块副动力学模型

参考图2和图3，SAMCEF中的动力学模型建立流程为:整机模型导入→导轨滑块等效模型建模。详细如下:

步骤1·机床整机模型导入SAMCEF:在CAD模型中，删除导轨滑块部分，将机床整机模型以中性格式导入SAMCEF软件;

步骤2·建立导轨滑块等效模型:从数据库中读取导轨滑块组件模型驱动参数，利用SAMCEF特有的点、线、面建模工具创建等效的简化有限元分析模型，代替其详细几何模型。详细模型如下所示:

(1)参考表1，导轨简化为长162Omm，宽53mm及高43·5mm的Beam单元;

(2)参考表2，滑块部分的滚动体由一个Node节点代表，与导轨上对应位置的Node重合，用Bushing刚度单元连接;滑块结合面简化为234mmXlO0mm的Shell单元，与滚动体应用Mean单元连接。

第四步:进行自动化加载CAE分析参数

参考图4，从数据库中提取有限元分析参数，通过SAMCEF二次开发程序，应用Bacon命令流语言将导轨滑块有限元分析参数自动加载至等效CAE模型中。详细如下:

(1)参考表3，提取各零件材料属性，包括密度、弹性模量、泊松比等，添加至各零件模型上。例如:导轨材料属性为:密度为ρ＝7·85e³Kg/m³，弹性模量为E＝209e⁹pa，泊松比为μ＝0·3;滑块材料属性为:密度为p＝7·85e^３Kg/m^３，弹性模量为E＝205e^９Pa，泊松比为μ＝0·3。

(2)参考表3，提取动力学参数，包括装配模型中的滑块副刚度，添加至等效模型上。例如:导轨与滑块间的滑块副的承压刚度K_压＝３.3e⁶N/mm，承拙刚度K_拉=2·1e⁶N/mm，侧向K_侧＝2·14e^６N/mm。

本发明针对目前机床设计与有限元仿真分析相互独立、互不关联的情况，提出了一种面向机床有限元分析的丝杠螺母数据库建立方法，应用导轨滑块CAD模型参数，驱动CAE建模，实现机床设计过程中导轨滑块组件CAD与CAE模型、仿真分析知识集成、CAE分析模型自动化建立、有限元分析参数的自动加载，为机床设计与仿真分析集成提供了支撑。

尽管上面结合附图对本发明的优选实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，并不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可以作出很多形式，这些均属于本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种面向机床有限元分析的导轨滑块数据库建立方法，其特征在于，包括如下步骤：

(1)依据供应商手册，提取CAD模型驱动参数及动力学分析参数，并建立数据库；

所述的CAD模型驱动参数包括：零件建模主驱动参数，用于驱动零件的建模；零件建模顺序驱动参数，用于确定零件的建模顺序及零件间的主驱动参数关系；

所述的动力学分析参数包括材料属性和结合面参数，用于有限元分析，其中，材料属性主要包括密度、弹性模量、泊松比、热膨胀系数和热传导率；结合面参数为滑块副刚度；

(2)依据数据库驱动参数，建立相应导轨滑块组件的CAD参数化几何模型；

(3)从数据库中提取驱动参数，利用有限元分析软件的命令流语言的点、线、面命令，建立简化的等效模型，用于有限元分析，所述的建立简化的等效模型，即建立简化的导轨滑块副动力学模型如下：

1)将导轨简化为一根梁单元，其宽度和高度与导轨CAD模型的宽度和高度相同，长度与导轨CAD模型的长度相同；

2)滑块部分由滚动体和滑块安装面表示；滚动体由一个节点代表，与导轨上对应位置的节点重合，用轴承刚度单元连接，能够添加X、Y、Z三个轴向刚度和阻尼值；滑块安装面简化为壳单元，与滚动体应用Mean单元连接，Mean单元表示滚动体Node的位移取滑块安装面上节点位移的平均值；

(4)通过CAD及CAE软件二次开发，从数据库中提取导轨滑块组件有限元分析参数，利用限元分析软件的命令流语言，加载至导轨滑块副动力学模型。

2.根据权利要求1所述的一种面向机床有限元分析的导轨滑块数据库建立方法，其特征在于，步骤(1)所述的零件建模主驱动参数包括：导轨驱动参数为导轨长度和导轨宽度；滑块驱动参数为滑块宽度。

3.根据权利要求1所述的一种面向机床有限元分析的导轨滑块数据库建立方法，其特征在于，步骤(2)所述的建立相应导轨滑块组件的CAD参数化几何模型是：首先，依据零件驱动参数数据库，确定零件建模顺序：导轨→滑块，先建模的零件驱动后建模的零件；然后依据零件模型尺寸参数数据库，建立导轨、滑块CAD模型；最后，根据导轨滑块组件装配关系，生成导轨滑块组件装配模型。

4.根据权利要求1所述的一种面向机床有限元分析的导轨滑块数据库建立方法，其特征在于，步骤(2)所述的建立相应导轨滑块组件的CAD参数化几何模型的过程如下：

1)依据零件驱动参数数据库，首先使用导轨长度和宽度驱动数据库中导轨的其他尺寸参数建立导轨CAD参数化模型；

2)根据导轨宽度，确定与该导轨对应的滑块宽度值，再使用滑块宽度驱动数据库中滑块的其他尺寸参数建立滑块CAD参数化模型；

3)根据导轨与滑块间预设的装配关系，建立导轨滑块组件的自动化装配模型。

5.根据权利要求1所述的一种面向机床有限元分析的导轨滑块数据库建立方法，其特征在于，步骤(3)所述的CAD模型的驱动参数包括：导轨长度、宽度和高度，滑块长度、宽度和高度。

6.根据权利要求1所述的一种面向机床有限元分析的导轨滑块数据库建立方法，其特征在于，步骤(4)是从数据库中提取有限元分析参数，通过限元分析软件二次开发程序，应用限元分析软件的命令流语言将导轨滑块有限元分析参数自动加载至等效CAE模型中。

7.根据权利要求6所述的一种面向机床有限元分析的导轨滑块数据库建立方法，其特征在于，分析参数包括：1)各零件材料属性：密度、弹性模量、泊松比、热膨胀系数和热传导率，添加至各零件模型上；2)动力学参数：轴承副的刚度和阻尼值、螺母副的刚度和阻尼值，添加至等效模型的Bearing刚度连接单元上。

8.根据权利要求7所述的一种面向机床有限元分析的导轨滑块数据库建立方法，其特征在于，通过限元分析软件二次开发程序，从数据库中提取分析参数后，利用限元分析软件的命令流语言，将分析参数加载至导轨滑块有限元分析模型，为机床的设计与仿真分析的提供支撑。