CN107944200A - 激光加工机床的骨架结构的优化方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种激光加工机床的骨架结构的优化方法。上述方法包括：测量连接骨架的装配面和外部骨架的配对面的间隙或者过盈量，测量骨架结构安装前后床身的第一、第二导轨之间的距离的变化量；基于有限元分析系统建立床身和骨架结构的装配体力学分析模型；在装配面和/或配对面上施加载荷，计算变形量，根据载荷和变形量获得装配力；变形量包括装配面和配对面的间隙或者过盈量，以及第一、第二导轨之间的距离的变化量；若第一、第二导轨之间的距离的变化量在预设范围之外，则根据装配力改进骨架结构，并重复在装配面和/或配对面上施加载荷，计算变形量，根据载荷和变形量获得装配力的步骤。上述方法能够提高激光加工机床的骨架结构的装配精度。

Description

激光加工机床的骨架结构的优化方法

技术领域

本发明涉及激光加工的技术领域，特别是涉及一种激光加工机床的骨架结构的优化方法。

背景技术

在激光加工机床中，外罩结构一般固定连接在床身结构上，外罩结构将加工区域与外部分隔，确保内部的加工环境避免被外部干扰，同时保护外部操作人员的安全。外罩结构一般可以包括若干个骨架结构、钣金及其他附属件，其中骨架结构是主要承力结构。

在实际装配过程中发现，骨架结构的加工精度一般较差，在装配工艺进行到准备锁紧最后两个骨架结构的装配面时，发现此处经常存在间隙或者过盈等偏差，该偏差的范围变化较大，且不可控，一般从0.01mm到1mm不等。若在此情况下直接将装配面进行锁紧，骨架结构容易出现装配内力。因为骨架结构固定连接在床身结构上，骨架结构的装配内力会传递到床身结构上。当装配力较大时，将导致床身结构出现较大变形，降低床身的装配精度，从而最终影响机床的加工精度。

发明内容

基于此，有必要针对上述技术问题，提供一种能够提高装配精度的激光加工机床的骨架结构的优化方法。

一种骨架结构的优化方法，所述骨架结构用于安装在床身上，所述骨架结构包括外部骨架和用于连接所述外部骨架的连接骨架，包括如下步骤：

测量所述连接骨架的装配面和所述外部骨架的配对面的间隙或者过盈量，测量所述骨架结构安装前后所述床身的第一导轨和第二导轨之间的距离的变化量；

基于有限元分析系统建立所述床身和所述骨架结构的装配体力学分析模型；

在所述装配面和/或所述配对面上施加载荷，计算变形量，根据所述载荷和所述变形量获得装配力；其中，所述变形量包括所述装配面和所述配对面的间隙或者过盈量，以及第一导轨和第二导轨之间的距离的变化量；以及

若所述第一导轨和所述第二导轨之间的距离的变化量在预设范围之外，则根据所述装配力改进骨架结构，并重复所述在所述装配面和/或所述配对面上施加载荷，计算变形量，根据所述载荷和所述变形量获得装配力的步骤。

在其中一个实施例中，所述测量所述连接骨架的装配面和所述外部骨架的配对面的间隙或者过盈量，测量所述骨架结构安装前后所述床身的第一导轨和第二导轨之间的距离的变化量的步骤包括：

所述装配面包括第一装配面和第二装配面，所述第一装配面和所述第二装配面分别位于所述连接骨架的两端，以连接两个分别位于所述床身两侧的所述外部骨架，所述配对面包括位于其中一个外部骨架的第一配对面和位于另一个外部骨架的第二配对面；将所述第一装配面与所述第一配对面装配，再测量第二装配面与所述第二配对面之间的尺寸偏差δ；以及

锁紧所述第二装配面与所述第二配对面，在所述第一导轨上确定与所述第一装配面最近的位置P1和在所述第二导轨上确定与所述第二装配面最近的位置P2，并测量锁紧前后位置P1和位置P2之间的距离的变化量λ。

在其中一个实施例中，所述在所述装配面和/或所述配对面上施加载荷，计算变形量，根据所述载荷和所述变形量获得装配力的步骤，包括如下步骤：

在第一装配面和第二装配面上分别施加方向相反的载荷F_N，获得第二装配面与所述第二配对面之间的尺寸偏差δ_N和锁紧前后位置P1和位置P2之间的距离的变化量λ_N，N为0至n的自然数；

对(F₀，δ₀)、(F₁，δ₁)……(F_n，δ_n)进行拟合，求出函数F＝f(δ)；以及

将所述第一装配面与所述第一配对面装配，再测量第二装配面与所述第二配对面之间的尺寸偏差δ的步骤中测量得到的δ代入函数F＝f(δ)，得到预测得到的装配内力F′。

在其中一个实施例中，将F′代入所述装配体力学分析模型，得到锁紧前后位置P1和位置P2之间的距离的变化量λ′。

在其中一个实施例中，在所述在第一装配面和第二装配面上分别施加方向相反的载荷F_N，获得第二装配面与所述第二配对面之间的尺寸偏差δ_N和锁紧前后位置P1和位置P2之间的距离的变化量λ_N，N为0至n的自然数的步骤中，δ₀＜δ＜δ_n，λ₀＜λ＜λ_n。

在其中一个实施例中，F_N大于等于100N小于等于1000N。

在其中一个实施例中，所述基于有限元分析系统建立所述床身和所述骨架结构的装配体力学分析模型的步骤包括：

向三维设计软件中导入所述床身和所述外部骨架的零部件模型；

设定所述床身和所述外部骨架的材料属性；以及

根据实际所述床身的支撑方式定义固定边界条件。

在其中一个实施例中，在所述根据实际所述床身的支撑方式定义固定边界条件的步骤中，所述床身的支撑方式为所述床身和所述骨架结构绑定连接。

在其中一个实施例中，在所述向三维设计软件中导入所述床身和所述外部骨架的零部件模型的步骤中，先向三维设计软件中导入所述床身和所述骨架结构的零部件模型，之后去掉所述连接骨架的零部件模型。

一种激光加工机床的骨架结构的优化方法，包括所述的骨架结构的优化方法。

上述激光加工机床的骨架结构的优化方法，一方面，该方法能够优化骨架结构，通过该方法来调整和优化骨架结构，可以将装配力导致的床身变形减小至许可范围内。另一方面通过该方法可以预测装配力的大小以及由装配力引起的床身变形大小，为骨架结构的改进提供参考依据，避免盲目的试制和测试，提高了激光加工机床的装配效率和精度。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他实施例的附图。

图1为一实施例中激光加工机床的示意图；

图2为一实施例中激光加工机床骨架结构的优化方法的示意图；

图3为图2所示骨架结构的优化方法的步骤S100的示意图；

图4为图1所示激光加工机床的局部放大示意图；

图5为图1所示激光加工机床的床身的局部放大示意图；

图6为图1所示激光加工机床的装配示意图；

图7为图2所示骨架结构的优化方法的步骤S200的示意图；

图8为图2所示骨架结构的优化方法的步骤S300的示意图；

图9为图8所示骨架结构的优化方法中床身的变形结果云图；

图10为图8所示骨架结构的优化方法中外部骨架的变形结果云图；

图11为一实施例中优化方案的骨架结构的示意图。

具体实施方式

为了便于理解本发明，下面将参照相关附图对激光加工机床的骨架结构的优化方法进行更全面的描述。附图中给出了激光加工机床的骨架结构的优化方法的首选实施例。但是，激光加工机床的骨架结构的优化方法可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施例。相反地，提供这些实施例的目的是使对激光加工机床的骨架结构的优化方法的公开内容更加透彻全面。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在激光加工机床的骨架结构的优化方法的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。本文所使用的术语“及/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。

如图1所示，一实施方式中的激光加工机床10包括骨架结构100和床身200，骨架结构100用于安装在床身200上，骨架结构100包括外部骨架120和用于连接外部骨架120的连接骨架140。同时参见图2，骨架结构100的优化方法包括如下步骤：

S100，测量连接骨架140的装配面和外部骨架120的配对面的间隙或者过盈量，测量骨架结构100安装前后床身200的第一导轨220和第二导轨240之间的距离的变化量。

在一实施例中，装配面包括第一装配面142和第二装配面144，第一装配面142和第二装配面144分别位于连接骨架140的两端，以连接两个分别位于床身200两侧的外部骨架120，配对面包括位于其中一个外部骨架120的第一配对面122和位于另一个外部骨架120的第二配对面124。同时参见图3、图4，步骤S100可以包括：

S110，将第一装配面142与第一配对面122装配，再测量第二装配面144与第二配对面124之间的尺寸偏差δ，参见图4中的A处。在一具体的实施方式中，δ＝5×10^-3m。

S120，锁紧第二装配面144与第二配对面124，同时参见图5、图6，在第一导轨220上确定与第一装配面142最近的位置P1和在第二导轨240上确定与第二装配面144最近的位置P2，并测量锁紧前后位置P1和位置P2之间的距离的变化量λ。在一具体的实施方式中，λ＝10×10^-5m。

S200，基于有限元分析系统建立床身200和骨架结构100的装配体力学分析模型。

参见图7，在一实施例中，步骤S200包括如下步骤：

S210，向三维设计软件中导入床身200和外部骨架120的零部件模型。在一实施例中，可以先向三维设计软件中导入床身200和骨架结构100的零部件模型，之后去掉连接骨架140的零部件模型，以方便导入信息。

S220，设定床身200和外部骨架120的材料属性。在一具体的实施方式中，材料为Q235钢。

S230，根据实际床身200的支撑方式定义固定边界条件。根据实际床身200、骨架结构100等的装配关系，定义当前床身200、骨架结构100之间的连接方式，在一实施例中，在步骤S230中，床身200的支撑方式为床身200和骨架结构100绑定连接。

S300，在装配面和/或配对面上施加载荷，计算变形量，根据载荷和变形量获得装配力。其中，变形量包括装配面和配对面的间隙或者过盈量，以及第一导轨220和第二导轨240之间的距离的变化量，

在一实施例中，在装配面上施加载荷，在其他实施例中，也可以在配对面上施加载荷。参见图8，步骤S300可以具体包括如下步骤：

S310，在第一装配面142和第二装配面144上分别施加方向相反的载荷F_N，获得第二装配面144与第二配对面124之间的尺寸偏差δ_N和锁紧前后位置P1和位置P2之间的距离的变化量λ_N，N为0至n的自然数。在一实施例中，尺寸偏差δ_N形成的区间需要覆盖实际δ，变化量λ_N形成的区间需要覆盖实际λ，即δ₀＜δ＜δ_n，λ₀＜λ＜λ_n。在一实施例中，F_N大于等于100N小于等于1000N。

在一具体的实施方式中，F₀＝100N，由于在本实施例中，步骤S110中测出第二装配面144与第二配对面124之间存在间隙，因此本次分析中载荷的方向分别为第一装配面142和第二装配面144的法向，即为面向外方向。在其他实施例中，若测出第二装配面144与第二配对面124之间存在过盈，则载荷的方向分别为第一装配面142和第二装配面144的反方向。

求解计算可以得到床身200和外部骨架120的变形结果云图，参见图9、图10，可以得到第二装配面144与第二配对面124之间的尺寸偏差δ₀＝0.13×10^-3m和锁紧前后位置P1和位置P2之间的距离的变化量λ₀＝0.063×10^-5m。

逐渐增加载荷值，得到一系列的变形值，详见下表：

S320，对(F₀，δ₀)、(F₁，δ₁)……(F_n，δ_n)进行拟合，求出函数F＝f(δ)。在上述具体实施例中，F＝1578.8×δ-3.2,(δ的单位是10^-3m，F的单位是N)。

S330，将第一装配面142与第一配对面122装配，再测量第二装配面144与第二配对面124之间的尺寸偏差δ的步骤中测量得到的δ代入函数F＝f(δ)，得到预测得到的装配内力F′。在具体的实施例中，将步骤S110中测量得到的δ＝5×10^-3m代入到公式F＝1578.8×δ-3.2中，计算得到F′＝7890.8N，即为预测得到的装配内力的大小。

进一步的，在一实施例中，还可以包括：

S340，将F′代入装配体力学分析模型，得到锁紧前后位置P1和位置P2之间的距离的变化量λ′。如果λ′与实际的λ较接近，说明建模的精度较高。在具体实施例中，计算得到的λ′＝10.9×10^-5m，可以看出该值与实际测量得到的λ＝10×10^-5m非常吻合，说明了建模的精度非常高。

S400，若第一导轨220和第二导轨240之间的距离的变化量在预设范围之外，则根据装配力改进骨架结构100，并重复步骤S300。若第一导轨220和第二导轨240之间的距离的变化量在预设范围之内，说明该方案符合设计要求，可以结束优化步骤。改进方向是减少骨架结构100中与床身200强连接的结构特征，适当减少刚性，这样在相同的装配面尺寸误差下，产生的装配内力会减少。从而减少传递至床身200上的力，减少床身200因此产生的变形。

进一步的，在一具体是实施方式中，尝试改进外部骨架120，对比图6，且参见图11的B1处和B2处，去掉横向筋板结构126。之后重复步骤S300，拟合计算出δ′＝5×10^-3m时，结构装配内力的大小F′＝900.8N，锁紧前后位置P1和位置P2之间的距离的变化量λ＝0.04×10^-5m，可见骨架结构100改进后，在相同的装配面间隙下，装配内力大幅减小，相应的床身200导轨的变形也大幅减小，进一步保证了床身200结构的装配精度。

上述实施例说明了床身200、骨架结构100仅经过一次改进的分析方法，在实际中一般要经过多次改进模型和分析的循环，即重复步骤S300和步骤S400，以得到最终优化的结构设计方案。利用以上方法优化骨架结构100，使得骨架结构100的改进有科学的方向，避免盲目的试制和测试，提高了激光加工机床10床身200的装配精度。

可以理解的是，上述骨架结构100的优化方法除了应用于激光加工机床10，也可以应用于数控铣床、自动化加工流水线等其他类似的应用环境。

以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (10)

1.一种骨架结构的优化方法，所述骨架结构用于安装在床身上，所述骨架结构包括外部骨架和用于连接所述外部骨架的连接骨架，其特征在于，包括如下步骤：

测量所述连接骨架的装配面和所述外部骨架的配对面的间隙或者过盈量，测量所述骨架结构安装前后所述床身的第一导轨和第二导轨之间的距离的变化量；

基于有限元分析系统建立所述床身和所述骨架结构的装配体力学分析模型；

在所述装配面和/或所述配对面上施加载荷，计算变形量，根据所述载荷和所述变形量获得装配力；其中，所述变形量包括所述装配面和所述配对面的间隙或者过盈量，以及第一导轨和第二导轨之间的距离的变化量；以及

若所述第一导轨和所述第二导轨之间的距离的变化量在预设范围之外，则根据所述装配力改进骨架结构，并重复所述在所述装配面和/或所述配对面上施加载荷，计算变形量，根据所述载荷和所述变形量获得装配力的步骤。

2.根据权利要求1所述的骨架结构的优化方法，其特征在于，所述测量所述连接骨架的装配面和所述外部骨架的配对面的间隙或者过盈量，测量所述骨架结构安装前后所述床身的第一导轨和第二导轨之间的距离的变化量的步骤包括：

所述装配面包括第一装配面和第二装配面，所述第一装配面和所述第二装配面分别位于所述连接骨架的两端，以连接两个分别位于所述床身两侧的所述外部骨架，所述配对面包括位于其中一个外部骨架的第一配对面和位于另一个外部骨架的第二配对面；将所述第一装配面与所述第一配对面装配，再测量第二装配面与所述第二配对面之间的尺寸偏差δ；以及

锁紧所述第二装配面与所述第二配对面，在所述第一导轨上确定与所述第一装配面最近的位置P1和在所述第二导轨上确定与所述第二装配面最近的位置P2，并测量锁紧前后位置P1和位置P2之间的距离的变化量λ。

3.根据权利要求2所述的骨架结构的优化方法，其特征在于，所述在所述装配面和/或所述配对面上施加载荷，计算变形量，根据所述载荷和所述变形量获得装配力的步骤，包括如下步骤：

在第一装配面和第二装配面上分别施加方向相反的载荷F_N，获得第二装配面与所述第二配对面之间的尺寸偏差δ_N和锁紧前后位置P1和位置P2之间的距离的变化量λ_N，N为0至n的自然数；

对(F₀，δ₀)、(F₁，δ₁)……(F_n，δ_n)进行拟合，求出函数F＝f(δ)；以及

将所述第一装配面与所述第一配对面装配，再测量第二装配面与所述第二配对面之间的尺寸偏差δ的步骤中测量得到的δ代入函数F＝f(δ)，得到预测得到的装配内力F′。

4.根据权利要求3所述的骨架结构的优化方法，其特征在于，将F′代入所述装配体力学分析模型，得到锁紧前后位置P1和位置P2之间的距离的变化量λ′。

5.根据权利要求3所述的骨架结构的优化方法，其特征在于，在所述在第一装配面和第二装配面上分别施加方向相反的载荷F_N，获得第二装配面与所述第二配对面之间的尺寸偏差δ_N和锁紧前后位置P1和位置P2之间的距离的变化量λ_N，N为0至n的自然数的步骤中，δ₀＜δ＜δ_n，λ₀＜λ＜λ_n。

6.根据权利要求3所述的骨架结构的优化方法，其特征在于，F_N大于等于100N小于等于1000N。

7.根据权利要求1所述的骨架结构的优化方法，其特征在于，所述基于有限元分析系统建立所述床身和所述骨架结构的装配体力学分析模型的步骤包括：

向三维设计软件中导入所述床身和所述外部骨架的零部件模型；

设定所述床身和所述外部骨架的材料属性；以及

根据实际所述床身的支撑方式定义固定边界条件。

8.根据权利要求7所述的骨架结构的优化方法，其特征在于，在所述根据实际所述床身的支撑方式定义固定边界条件的步骤中，所述床身的支撑方式为所述床身和所述骨架结构绑定连接。

9.根据权利要求7所述的骨架结构的优化方法，其特征在于，在所述向三维设计软件中导入所述床身和所述外部骨架的零部件模型的步骤中，先向三维设计软件中导入所述床身和所述骨架结构的零部件模型，之后去掉所述连接骨架的零部件模型。

10.一种激光加工机床的骨架结构的优化方法，其特征在于，包括权利要求1至9中任一项所述的骨架结构的优化方法。