CN109583137B - 一种获取机床部件最佳体积比的方法 - Google Patents

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Abstract

根据本发明所涉及的一种获取机床部件最佳体积比的方法，因为建立机床动力学模型，将机床部件的特征质量值、特征阻尼值及特征刚度值代入机床的动力学方程，得到表征刀尖点的空间位移量与质量值关系的刀尖位移‑质量关系曲线，选取刀尖位移‑质量关系曲线中对应刀尖点位移最小的机床部件特征质量值作为最优质量值，进而得到机床部件最佳质量比，而通过最佳质量比能得到机床部件进行拓扑优化设计是所需的最佳体积比。所以，本发明基于动力学理论完成机床最佳质量计算，并将计算结果直接用于机床部件结构的拓扑优化设计当中，提出了一种获取机床部件最佳体积比的方法。

Description

一种获取机床部件最佳体积比的方法
技术领域
本发明属于机床设备领域，具体涉及一种获取机床部件最佳体积比的方法。
背景技术
拓扑优化设计作为一种提高部件刚度减轻部件质量的方法被广泛应用于结构设计领域中。拓扑优化设计的约束条件中的最佳体积比目前常用的限定方法是人为限定一个百分比，对于这个百分比，以往领域中没有明确且有理论依据的计算方法。
在机床结构设计中，单部件的质量没有进行过精确的设计，通常是结构设计后，直接计算出质量，对于质量及其对动特性的影响没有进行详细的计算分析。
发明内容
本发明是为了解决上述两个问题而进行的，目的在于提供一种获取机床部件在设计空间中的最佳体积比的方法，用于获得对机床部件进行拓扑优化设计时所需的部件最佳体积比。
本发明提供了一种获取机床部件最佳体积比的方法，具有这样的特征，包括：
步骤S1，获取单个机床部件的特征质量值、特征阻尼值及特征刚度值；
特征质量值为机床部件的整体质量值，
特征阻尼值为机床部件与其他机床部件结合面的阻尼值，
特征刚度值为机床部件与其他机床部件结合面的刚度值；
步骤S2，通过对包含机床部件的机床的刀尖点施加特定力构建动力学方程表达式1，
Figure BDA0001927624170000021
其中M为机床部件的特征质量值；C为机床部件的特征阻尼值，K为机床部件的特征刚度值，X为机床的刀尖点的空间坐标位移量，F(t)为特定力的值，
Figure BDA0001927624170000022
为X的一阶导数，
Figure BDA0001927624170000023
为X的二阶导数；
步骤S3，将特征质量值、特征阻尼值及特征刚度值代入步骤S2中的表达式1，得到表征刀尖点的空间位移量与特征质量值之间关系的刀尖位移-质量关系曲线；
步骤S4，根据刀尖位移-质量关系曲线，得到使刀尖点的空间坐标位移量最小的特征质量值，将该特征质量值作为优化质量值；
步骤S5，根据优化质量值得到部件的最佳质量比，并根据最佳质量比得到部件进行拓扑优化所需的最佳体积比。最佳质量比为优化质量值与部件设计空间的最大质量值的比值，部件设计空间的最大质量值由机床设计允许的部件的最大体积决定。
在本发明提供的获取机床部件最佳体积比的方法中，还可以具有这样的特征：其中，在步骤S2中，特定力为随时间变化的等幅变频的作用力。
在本发明提供的获取机床部件最佳体积比的方法中，还可以具有这样的特征：其中，在步骤S4中，包括以下子步骤：
步骤S4-1，对刀尖位移-质量关系曲线进行观察：
当刀尖点空间坐标位移量随着特征质量值数值改变呈现规律性变化，刀尖位移-质量关系曲线为可改善曲线，应对机床部件进行优化，
当刀尖点空间坐标位移量随着特征质量值数值改变呈现无规律性变化，刀尖位移-质量关系曲线为不可改善曲线，不必对机床部件进行优化；
步骤S4-2，根据可改善曲线选取使加工中心刀尖点位移量最小的特征质量值作为部件的优化质量值。
发明的作用与效果
根据本发明所涉及的一种获取机床部件最佳体积比的方法，因为建立机床动力学模型，将机床部件的特征质量值、特征阻尼值及特征刚度值代入机床的动力学方程，得到表征刀尖点的空间位移量与质量值关系的刀尖位移-质量关系曲线，选取刀尖位移-质量关系曲线中对应刀尖点位移最小的机床部件特征质量值作为最优质量值，进而得到机床部件最佳质量比，而通过最佳质量比能得到机床部件进行拓扑优化设计是所需的最佳体积比。所以，本发明基于动力学理论完成机床最佳质量计算，并将计算结果直接用于机床部件结构的拓扑优化设计当中，提出了一种获取机床部件最佳体积比的方法。该方法的有益效果在于：使得机床部件的结构设计能够同时达到最佳的动态性能和最佳的质量分布，为机床部件的拓扑优化结构设计提供了基于对机床部件的受力分析的精确的最佳体积比参数，可靠地提高了机床的动态性能。
附图说明
图1是本发明的实施例中获取机床部件最佳体积比的方法的步骤流程图；
图2是本发明的实施例中获取机床部件最佳体积比的方法的三轴机床结构示意图；
图3是本发明的实施例中获取机床部件最佳体积比的方法的三轴机床的床身部件的刀尖位移-质量关系曲线；以及
图4是本发明的实施例中获取机床部件最佳体积比的方法的三轴机床的滑鞍部件的刀尖位移-质量关系曲线。
具体实施方式
为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，以下实施例结合附图对本发明的获取机床部件最佳体积比的方法作具体阐述。
如图1所示，一种获取机床部件最佳体积比的方法S，包括以下步骤：
步骤S1，获取单个机床部件的特征质量值、特征阻尼值及特征刚度值；
特征质量值为机床部件的整体质量值，特征阻尼值为机床部件与其他机床部件结合面的阻尼值，特征刚度值为机床部件与其他机床部件结合面的刚度值；在本实施例中，在本实施例中，如图2所示，机床优先选用三轴机床S100，机床部件的数量为5个，分别是主轴箱S10、立柱S20、滑鞍S40、工作台S50、床身S30，主轴箱S10上设置刀头S11；机床部件的特征质量值可通过部件的体积和密度相乘直接得到，而特征阻尼值及特征刚度值可按本领域通用的方法获得：具体为基于领域经验，特征阻尼值为特征质量值与阻尼比系数5％的乘积，特征刚度值按结合部的不同情况取105-108N/m，在机床正常工况下：相接触的部件保持相对静止的结合部称为固定结合部，在107-108N/m内取值，如立柱S20与床身S30间的结合部；相接触的部件相对有空间移动的称为滑动结合部，在105-106N/m内取值，如主轴箱S10与立柱S20间的结合部。
步骤S2，将步骤S1得到的数据代入后处理软件LMSTestLab中建立机床整机的有限元模型，通过对包含机床部件的机床的刀尖点施加特定力构建动力学方程表达式1，
Figure BDA0001927624170000051
其中M为机床部件的特征质量值；C为机床部件的特征阻尼值，K为机床部件的特征刚度值，X为机床的刀尖点的空间坐标位移量，F(t)为特定力的值，
Figure BDA0001927624170000061
为X的一阶导数，
Figure BDA0001927624170000062
为X的二阶导数；
动力学方程用于研究机械在力的作用下的运动和机械在运动过程中产生的力，并从力和运动相互作用的角度进行机械的设计与改进。
在步骤S2中，特定力为随时间变化的等幅变频的作用力。在本实施例中，特定力的施加方式为直接在后处理软件LMSTestLab进行模拟加载，特定力为频率为0-1600Hz的合成的矢量力。矢量力在水平面两个维度方向上的投影为10N，在竖直方向上的投影为30N。
步骤S3，将特征质量值、特征阻尼值及特征刚度值代入步骤S2中的表达式1，得到表征刀尖点的空间位移量与特征质量值之间关系的刀尖位移-质量关系曲线；
步骤S4，根据刀尖位移-质量关系曲线，得到使刀尖点的空间坐标位移量最小的特征质量值，将该特征质量值作为优化质量值；在步骤S4中，包括以下子步骤：
步骤S4-1，对刀尖位移-质量关系曲线进行观察：
当刀尖点空间坐标位移量随着特征质量值数值改变呈现规律性变化，刀尖位移-质量关系曲线为可改善曲线，应对机床部件进行优化，在本实施例中，所谓规律性变化包括：
(1)当增加部件质量时，刀尖位移量数值增加；
(2)当增加部件质量时，刀尖位移量数值减少；
(3)当增加部件质量时，刀尖位移量数值先减少而后增加；
(4)当增加部件质量时，刀尖位移量数值先增加而后减少；
在本实施例中，可改善曲线形如图3所示的以床身为受力部件得出的刀尖位移-质量关系曲线。
当刀尖点空间坐标位移量随着特征质量值数值改变呈现无规律性变化，刀尖位移-质量关系曲线为不可改善曲线，不必对机床部件进行优化；在本实施例中，所述无规律性变化是指当改变部件质量时，刀尖位移量数值没有出现包括增加、减少、先减少后增加及先增加后减少的趋势变化。
在本实施例中，不可改善曲线形如图4所示的以滑鞍为受力部件得出的刀尖位移-质量关系曲线。
步骤S4-2，根据可改善曲线选取使加工中心刀尖点位移量最小的特征质量值作为部件的优化质量值。
步骤S5，根据优化质量值得到部件的最佳质量比，并根据最佳质量比得到部件的最佳体积比。所述最佳质量比为优化质量值与部件设计空间的最大质量值的比值，部件设计空间的最大质量值由机床设计允许的部件的最大体积决定。
通过动力学分析获得机床部件的最佳质量，能够通过机床部件质量设计，提升机床的整机动态性能。同时部件的最佳体积比是部件拓扑优化设计关键的一个参数，通过工程计算确定最佳体积比的设计方法，给出了拓扑优化体积比设计的工程意义，解决了拓扑优化体积比设定没有标准，盲目设计的问题。
实施例的作用与效果
根据本实施例所涉及的一种获取机床部件最佳体积比的方法，因为建立机床动力学模型，将机床部件的特征质量值、特征阻尼值及特征刚度值代入机床的动力学方程，得到表征刀尖点的空间位移量与质量值关系的刀尖位移-质量关系曲线，选取刀尖位移-质量关系曲线上使刀尖点位移最小的机床部件质量值作为最优质量值，进而得到对机床部件进行拓扑优化设计是所需的机床部件最佳体积比。所以，本发明的有益效果为：通过建立合理的动力学模型，推导确定合理的部件最佳质量比，将最佳质量比转化为最佳体积比，应用于结构拓扑优化设计中，使得机床获得更好的动态性能。
上述实施方式为本发明的优选案例，并不用来限制本发明的保护范围。

Claims (2)

1.一种获取机床部件最佳体积比的方法，用于获得对所述机床部件进行拓扑优化设计时所需的部件最佳体积比，其特征在于，包括以下步骤：
步骤S1，获取单个所述机床部件的特征质量值、特征阻尼值及特征刚度值；
所述特征质量值为所述机床部件的整体质量值，
所述特征阻尼值为所述机床部件与其他所述机床部件结合面的阻尼值，
所述特征刚度值为所述机床部件与其他所述机床部件结合面的刚度值；
步骤S2，通过对包含所述机床部件的机床的刀尖点施加特定力构建动力学方程表达式1，
Figure 390682DEST_PATH_IMAGE001
（表达式1）
其中M为所述机床部件的特征质量值；C为所述机床部件的特征阻尼值，K为所述机床部件的特征刚度值，X为所述机床的刀尖点的空间坐标位移量，F(t)为所述特定力的值，
Figure DEST_PATH_IMAGE002
为X的一阶导数，
Figure 370140DEST_PATH_IMAGE003
为X的二阶导数；
步骤S3，将所述特征质量值、所述特征阻尼值及所述特征刚度值代入步骤S2中的表达式1，得到表征所述刀尖点的空间位移量与所述特征质量值之间关系的刀尖位移-质量关系曲线；
步骤S4，根据所述刀尖位移-质量关系曲线，得到使所述刀尖点的空间坐标位移量最小的所述特征质量值，将该特征质量值作为优化质量值；
步骤S5，根据所述优化质量值得到所述部件的最佳质量比，并根据该最佳质量比得到所述部件的最佳体积比，所述最佳质量比为所述优化质量值与所述部件设计空间的最大质量值的比值，所述部件设计空间的最大质量值由机床设计允许的所述部件的最大体积决定；
其中，步骤S4包括以下子步骤：
步骤S4-1，对所述刀尖位移-质量关系曲线进行观察：
当所述刀尖点空间坐标位移量随着所述特征质量值数值改变呈现规律性变化，所述刀尖位移-质量关系曲线为可改善曲线，应对所述机床部件进行优化，
当所述刀尖点空间坐标位移量随着所述特征质量值数值改变呈现无规律性变化，所述刀尖位移-质量关系曲线为不可改善曲线，不必对所述机床部件进行优化；
步骤S4-2，根据所述可改善曲线选取使加工中心刀尖点位移量最小的所述特征质量值作为所述部件的优化质量值。
2.根据权利要求1所述的获取机床部件最佳体积比的方法，其特征在于：
其中，在步骤S2中，所述特定力为随时间变化的等幅变频的作用力。
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