CN109324570B - 一种基于加工形貌预构的机床设计优化方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于加工形貌预构的机床设计优化方法，属于超精密加工领域，其特征是通过对工件加工形貌预构，在设计阶段建立机床部件精度参数和机床整体性能与加工形貌之间的联系，定量分析机床性能指标的影响，实现机床部件精度的设计和整体性能的要求。本发明解决了现有的机床设计方法中不能够对超精密加工机床性能进行准确预估，在设计阶段无法给出机床部件精度和整体性能技术要求的问题，给超精密加工机床的设计提供了切实可行的设计优化方法，研发出满足表面粗糙度、面型和波纹度信息等技术要求的机床。

Description

一种基于加工形貌预构的机床设计优化方法
技术领域
本发明属于机床加工技术领域，涉及机床设计技术，特别是涉及一种基于加工形貌预构的机床设计优化方法，能够指导超精密加工机床设计的方法。
背景技术
超精密加工担负着支持最新科学技术进步的重要使命，是国家高新技术和战略性新兴产业的基础，是现代基础科学发展的基石，同时也是衡量一个国家科学技术水平的重要标志之一。
高科技领域对超精密加工技术的需求日益增大，在民用方面超精密加工技术的进步直接改善了国民的生活水平。
超精密机床作为超精密加工的载体是超精密光学元件成形与模具加工不可或缺的重要设备，它直接决定了零件的加工精度、可重复性和加工效率。因此，研发超精密加工机床对高新技术的发展具有重要意义。
然而，对于用于光学零件加工的超精密机床，除对表面粗糙度和面型精度有要求外，对表面波纹度也提出了苛刻的要求，当前针对这类超精密机床的设计还没有成熟的设计理论和设计方法。
发明内容
因此，本发明主要解决的技术问题是提出了一种基于加工形貌预构的机床设计优化方法，解决了现有的机床设计方法中不能够对光学应用等超精密加工机床性能进行准确预估，无法实现对机床部件精度的设计和整体性能的要求的问题。
为解决上述技术问题，本发明包括如下步骤：
步骤一，机床构型设计，并根据机床的构型结构参数构建机床的三维模型；
步骤二，预设机床关键部件的加工和装配误差；
步骤三，对步骤一建立的机床三维模型进行动力学分析，获取机床的动态响应信息、直线度、主轴转速等基本信息；
步骤四，将步骤二和三中的机床关键部件的加工和装配误差和机床动态响应信息耦合在一起，根据机床成形运动轨迹对加工形貌进行仿真，获得预测的加工形貌；
步骤五，将步骤四中获得的加工形貌数据转化为软件可读的数据格式；
步骤六，采用软件对步骤五转化后的表面仿真形貌进行分析，获取表面粗糙度、面型和波纹度信息；
步骤七，对表面仿真形貌分析获得的表面粗糙度、面型和波纹度信息和加工要求的数值进行对比，若全部合格，则按照该设计进行机床的搭建；否则，返回步骤一，对机床的构型结构参数和关键部件的加工和装配误差要求进行修正，直至全部合格。
步骤一中构建机床三维模型的方法为采用三维造型软件，所述的三维造型软件为Pro/E或inventor；所述动力学分析的方法为采用分析软件，分析软件为matlab或ansys；步骤四中根据机床成形运动轨迹对加工形貌进行仿真的方法为采用数值计算软件，数值计算软件为matlab或ansys；步骤五中所述软件为表面检测软件，表面软件为zygo。
与现有技术相比，本发明提供了一种基于加工形貌预构的机床优化设计方法，定量分析机床各项性能指标的影响，指导机床的设计，解决了机床设计人员在机床设计过程中依赖经验和标准或反复试验导致的周期长、工作量大等问题，为超精密机床设计能同时满足表面粗糙度、面型和波纹度等技术要求提供了依据。
附图说明
图1是机床设计流程示意图。
图2是基于设计方法示意图。
图3是机床动态性能对加工表面的影响数据。
图4是工件仿真表面数据。
图5是仿真表面的GRMS测试结果数据。
图6是机床的动态性能对GRMS的影响数据。
图7是机床的动态性能对PSD1的影响数据。
具体实施方式
以下结合本发明的内容和附图所述实施例对本发明做进一步说明。
本发明提供了一种基于加工形貌预构的机床优化设计方法，其设计流程如图1所示。基于加工形貌预构的机床优化设计方法是一种通过对工件加工形貌预构，在设计阶段建立机床部件精度参数和机床整体性能与加工形貌之间的联系，定量分析机床性能指标的影响，实现机床部件精度的设计和整体性能的要求的方法。
基于加工形貌预构的机床优化设计方法的实施例如图2所示，其详细步骤如下：
(1)机床构型设计，并采用三维造型软件(如Pro/E、inventor等)构建机床的三维模型；
(2)根据当前加工制造水平预设机床关键部件的加工和装配误差；
(3)对(1)建立的机床三维模型用matlab分析软件进行动力学分析，获取机床的动态响应信息、直线度、主轴转速等基本信息，机床动态性能对加工表面的影响数据如图3所示；
(4)对将(2)和(3)中的机床关键部件的加工和装配误差和机床动态响应信息耦合在一起，根据机床成形运动轨迹采用matlab数值计算软件对加工形貌进行仿真，获得预测的加工形貌，工件仿真表面数据如图4所示；
(5)将步骤(4)中获得的加工形貌数据转化为zygo表面检测软件可读的数据格式，仿真表面的GRMS测试结果如图5所示；
(6)采用表面软件对(5)转化后的表面仿真形貌进行分析，获取表面粗糙度、面型和波纹度信息，机床的动态性能对GRMS的影响数据如图6所示，机床的动态性能对PSD1的影响数据如图7所示；
(7)对表面仿真形貌分析获得的表面粗糙度、面型和波纹度信息和加工要求的数值进行对比，若全部合格，则按照该设计进行机床的搭建；否则，返回步骤一，对机床的构型结构参数和关键部件的加工和装配误差要求进行修正，直至全部合格。
以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (10)

1.一种基于加工形貌预构的机床设计优化方法，其特征是通过对工件加工形貌预构，
在设计阶段建立机床部件精度参数和机床整体性能与加工形貌之间的联系，实现机床部件
精度的设计和整体性能的要求，包括以下步骤：
步骤一，机床构型设计，并根据机床的构型结构参数构建机床的三维模型；
步骤二，预设机床关键部件的加工和装配误差；
步骤三，步骤三，对步骤一建立的机床三维模型进行动力学分析，获取机床的动态响应信息、直线度、主轴转速的信息;
步骤四，将步骤二和三中的机床关键部件的加工和装配误差和机床动态响应信息耦合
在一起，根据机床成形运动轨迹对加工形貌进行仿真，获得预测的加工形貌；
步骤五，将步骤四中获得的加工形貌数据转化为检测软件可读的数据格式；
步骤六，采用检测软件对步骤五转化后的表面仿真形貌进行分析，获取表面粗糙度、面
型和波纹度信息；
步骤七，对表面仿真形貌分析获得的表面粗糙度、面型和波纹度信息和加工要求的数
值进行对比，若全部合格，则按照该设计进行机床的搭建；否则，返回步骤一，对机床的构型
结构参数和关键部件的加工和装配误差要求进行修正，直至全部合格。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：步骤一中构建机床三维模型的方法为采用
三维造型软件。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于：所述的三维造型软件为Pro/E。
4.根据权利要求2所述的方法，其特征在于：所述三维造型软件为inventor。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述动力学分析的方法为采用分析软件。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述分析软件为matlab或ansys。
7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：步骤四中根据机床成形运动轨迹对加工形
貌进行仿真的方法为采用数值计算软件。
8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于:所述数值计算软件为matlab或ansys。
9.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：步骤五中所述软件为表面检测软件。
10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于：所述表面软件为zygo。
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