CN109614748A - 结合测试与仿真技术提升机床动态特性的结构优化方法 - Google Patents
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Abstract
根据本发明所涉及的一种结合测试与仿真技术提升机床动态特性的结构优化方法，因为将试验得到的试验模态数据与仿真得到的有限元模型的模态数据对比，并参照试验模态数据对仿真模态数据进行调整并使两者一致，然后将调整后的数据代入有限元模型，基于刀尖中心点获得机床的薄弱部分并做调整，得出多组优化方案，最后从中选出最优方案，根据最优方案得到动态性能改善的机床。
Description
技术领域
本发明属于机床设备领域，具体涉及一种结合测试与仿真技术提升机床动态特性的结构优化方法。
背景技术
机床动态性能决定了其切削性能，且机床的动态性能直接与机床的制造成本相关。机床设计所确定的动态特性设计指标，需要能够满足机床切削性能要求。目前，虽然有些机床部件设计模态分析和谐响应分析的理论分析方法进行大件结构设计，但对机床整机动态性能设计仍然沿用经验、类比的传统方法，没有考虑到用完整的系统性方法指导机床整机性能设计，提高机床的切削性能。
发明内容
本发明是为了解决上述问题而进行的，目的在于提供一种结合测试与仿真技术提升机床动态特性的结构优化方法，此方法基于动力学理论，用于提高机床的动态性能，具体表现为提高整机的固有频率。
本发明提供了一种结合测试与仿真技术提升机床动态特性的结构优化方法，具有这样的特征，包括以下步骤：
步骤S1，对机床进行模态测试，得到机床各阶测试模态数据，将机床各阶测试模态数据作为实验数据；
步骤S2，建立机床的有限元模型，仿真计算机床各阶仿真模态数据，将机床各阶仿真模态数据作为仿真数据；
步骤S3，对比实验数据的各阶固有频率和仿真数据的各阶固有频率，通过调整有限元模型的主要部件的关键部位的刚度值得到主要部件的改善刚度值；
步骤S4，将具有改善刚度值的主要部件代入有限元模型，对该有限元模型加载特定力并进行动力学谐响应分析，得到有限元模型的刀具中心点在全频率范围受力状态下模态数据变化量；
步骤S5，基于刀具中心点模态数据变化量，对有限元模型进行灵敏度分析，当定量改变部件的质量数值，刀具中心点模态数据变化量最大时，部件称为薄弱部分；
步骤S6，以调整薄弱部分的刚度数值及质量数值为目的，得到多组优化方案；
步骤S7，将多组优化方案代入有限元模型进行有限元分析并做效果对比，确定最优方案；
步骤S8，根据最优方案，根据加工制造需求进行微调，对机床进行加工装配和测试，得到动力学性能改善的改善机床。
在本发明提供的结合测试与仿真技术提升机床动态特性的结构优化方法中，还可以具有这样的特征：其中，在步骤S1中，模态数据包括频率数据、振型数据、振幅数据。
在本发明提供的结合测试与仿真技术提升机床动态特性的结构优化方法中，还可以具有这样的特征：其中，在步骤S3中，关键部位为有限元模型中主要部件间的结合面。
在本发明提供的结合测试与仿真技术提升机床动态特性的结构优化方法中，还可以具有这样的特征：其中，在步骤S4中，特定力为等幅变频的作用力。
在本发明提供的结合测试与仿真技术提升机床动态特性的结构优化方法中，还可以具有这样的特征：其中，在步骤S6中，应用仿生自适应成长原理对薄弱部分进行结构拓扑优化方法或者其他的拓扑优化方法调整薄弱部分的刚度数值及质量数值。
在本发明提供的结合测试与仿真技术提升机床动态特性的结构优化方法中，还可以具有这样的特征，还包括以下步骤：步骤S9，对比分析改善机床较机床的测试模态数据的各阶固有频率的提升率，确认最优方案的先进性及进一步优化改善机床的可行性。
发明的作用与效果
根据本发明所涉及的结合测试与仿真技术提升机床动态特性的结构优化方法，因为将试验得到的试验模态数据与仿真得到的有限元模型的模态数据对比，并参照试验模态数据对仿真模态数据进行调整并使两者一致，然后将调整后的数据代入有限元模型，基于刀尖中心点获得机床的薄弱部分并做调整，得出多组优化方案，最后从中选出最优方案，根据最优方案得到动态性能改善的机床。所以，本发明的结合测试与仿真技术提升机床动态特性的结构优化方法具有精准地拟合实际机床动态性能参数诸如固有频率、振幅、振型的数据，提出系统性建立反映机床动态性能的有限元仿真模型的正确方法及优化设计方案，并对优化设计结构进行有效预测的基本能力，本设计方法的实施可以从机床系统设计上提高机床整机动态性能。使用该方法可以在设计阶段分析与评价不同机械结构的动态性能，保证所设计的机械结构满足动态性能指标的要求，解决了基于动力学特性机床设计方案可行性快速验证的难题。
附图说明
图1是本发明的实施例中结合测试与仿真技术提升机床动态特性的结构优化方法的步骤示意图；
图2是本发明的实施例中结合测试与仿真技术提升机床动态特性的结构优化方法的三轴机床结构示意图；以及
图3是本发明的实施例中结合测试与仿真技术提升机床动态特性的结构优化方法的主轴箱经简化后得到的结构示意图。
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结合测试与仿真技术提升机床动态特性的结构优化方法作具体阐述。
如图1所示，一种结合测试与仿真技术提升机床动态特性的结构优化方法S，包括如下步骤：
步骤S1，对机床进行模态测试，得到机床各阶测试模态数据，将机床各阶测试模态数据作为实验数据；模态数据包括频率数据、振型数据、振幅数据，在本实施例中，如图2所示，机床优先选用三轴机床S100，主要部件的数量为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，得到机床模态数据的方法为在每个主要部件上均设置多个加速度传感器，在机床正常工况下，以力的传导路径(1)为例，具体操作是在主轴箱S10、立柱S20、床身S30上设置多个加速度传感器，将加速度传感器测得的关于关键点空间三个维度上的振幅数据及测得数据的频率输入后处理软件LMSTestLab中提取各主要部件的振幅数据、频率数据及振型数据。
步骤S2，建立机床的有限元模型，仿真计算机床各阶仿真模态数据，将机床各阶仿真模态数据作为仿真数据；在本实施例中，步骤S2的具体过程为：先用CAD软件对机床整机模型进行简化，简化包括删去整机中诸如各种倒角、螺纹孔、注油孔等微小结构以便于定量反映了主要部件的几何、材料、载荷、约束等各个方面的特性，将简化后的CAD模型输入后处理软件ANSYS进行模态分析。
步骤S1与步骤S2的先后顺序无严格要求，操作时可先进行步骤S2再执行步骤S1；由于步骤S2主要依靠软件操作完成，因此还可将步骤S1、步骤S2同时进行执行。
步骤S3，对比实验数据的各阶固有频率和仿真数据的各阶固有频率，在仿真机床受力下通过操作ANSYS软件调整有限元模型中的主要部件的关键部位的刚度值得到主要部件的改善刚度值；
实验数据的各阶固有频率和仿真数据的各阶固有频率一般情况下是不同的，产生不同的原因主要在于不同主要部件间的结合面上，这是因为结合面在机床正常工况下的刚度特性受到结合面积、结合面表面粗糙度、结合面承受的载荷状况等诸多因素影响，现有仿真软件无法正确对其刚度特性进行模拟，而刚度特性是求解整机固有频率特性所必需的物理参数，因此关键部位为有限元模型中主要部件间的结合面。
刚度校准的原则如下：
(1)刚度校准的目的是使有限元模型的各阶模态与机床实测的各阶模态一致；
(2)校准的方式为改变有限元模型中关键部位的刚度大小。
步骤S4，将具有改善刚度值的主要部件代入有限元模型，对该有限元模型加载特定力并进行动力学谐响应分析，在本实施例中，特定力的施加方式为直接在后处理软件ANSYS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。
力学谐响应分析用于确定一个结构在已知频率的正弦(简谐)载荷作用下结构响应。输入已知大小和频率的谐波载荷力；得到结构每一个自由度上的谐位移。
得到有限元模型的刀具中心点在全频率范围受力状态下模态数据变化量；在本实施例中，全频率范围是0-1600Hz。因为机床工况覆盖范围为0-800Hz，基于本领域中的经验，选取包含安全裕量的频率范围为0-1600Hz为全频率范围。
步骤S5，基于刀具中心点模态数据变化量，对有限元模型进行灵敏度分析，当定量改变部件最佳质量数值，刀具中心点模态数据变化量最大时，部件称为薄弱部分，具体分析过程是在有限元模型中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，
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，为X的一阶导数，为X的二阶导数；
对应同一主要部件，在C，K，F(t)不变的条件下，改变X，得到部件质量与刀尖空间坐标位移量的关系曲线，对比不同主要部件的部件质量与刀尖空间坐标位移量的关系曲线，得到薄弱部分。
步骤S6，以调整薄弱部分的刚度数值及质量数值为目的，得到多组优化方案。对应薄弱部分的具体优化方法表现为增大结合面的结合刚度及减少薄弱部分涉及部件的质量值。在本实施例中，(1)刚度薄弱部分为主轴箱与立柱结合部，调整方式为：增大主轴箱和立柱之间的接触面积，而主轴箱和立柱之间的接触面积大小有导轨副接触面积决定，因此增大立柱上的导轨副的规格从而使得主轴箱和立柱之间的接触面积变大。(2)在本实施例中，质量薄弱环节为主轴箱，调整方式为：应用仿生自适应成长原理对薄弱部分进行结构拓扑优化方法或者其他的拓扑优化方法调整薄弱部分的刚度数值及质量数值。在本实施例中，基于本领域经验，应用仿生自适应成长原理，具体来说，对主轴箱而言，设计的空间的最大体积、最大质量等与立柱连接的接触面位置及大小等因素共同构成了其约束条件得到优化部件，使得整机固有频率上升10％；同理优化其它部件及结合部，得到优化方案；由于改变刚度，质量会带来不同的设计结果，进而得到多种对主要部件的优化方案，上文只是举例说明其中一种优化方案。
步骤S7，将多组优化方案代入有限元模型进行有限元分析并做效果对比，确定最优方案；确定最优方案应遵循的原则为：
(1)在机床对应的特定工作频段内避免较大振幅数据的出现；
(2)应考虑使得机床各阶固有频率的提高；
(3)应考虑使得机床振幅的降低。
步骤S8，根据最优方案，根据加工制造的限制及需求进行微调，对机床进行加工装配和测试，得到动力学性能改善的改善机床。在本实施例中，加工制造的限制及需求表现在：因为内部加强筋的设计宽度不能小于15mm且所有加强筋宽度的设计尽量保持一致。
步骤S9，对比分析改善机床较机床的测试模态数据的各阶固有频率的提升率，确认最优方案的先进性及进一步优化改善机床的可行性。
实施例的作用与效果
根据本实施例所涉及的一种基于动力学理论的机床优化方法，因为将试验得到的试验模态数据与仿真得到的有限元模型的模态数据对比，并参照试验模态数据对仿真模态数据进行调整并使两者一致，然后将调整后的数据代入有限元模型，基于刀尖中心点获得机床的薄弱部分并做调整，得出多组优化方案，最后从中选出最优方案，根据最优方案得到动态性能改善的机床。所以，本发明的一种基于动力学理论的机床优化方法，具有精准的拟合实际机床动态性能参数(固有频率，振幅，振型)，提出建立正确反映机床动态性能的有限元仿真模型方法及优化设计方案，并对优化设计结构进行有效预测的基本能力，本设计方法的实施可以从机床系统设计上提高机床整机动态性能。使用该方法可以在设计阶段分析与评价不同机械结构的动态性能，保证所设计的机械结构满足动态性能指标的要求，解决了基于动力学特性机床设计方案可行性快速验证的难题。
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 (6)
1.一种结合测试与仿真技术提升机床动态特性的结构优化方法，用于提高所述机床的各阶固有频率，其特征在于，包括以下步骤：
步骤S1，对机床进行模态测试，得到所述机床各阶测试模态数据，将所述机床各阶测试模态数据作为实验数据；
步骤S2，建立所述机床的有限元模型，仿真计算所述机床各阶仿真模态数据，将所述机床各阶仿真模态数据作为仿真数据；
步骤S3，对比所述实验数据的各阶固有频率和所述仿真数据的各阶固有频率，通过调整所述有限元模型的所述主要部件的关键部位的刚度值得到所述主要部件的改善刚度值；
步骤S4，将具有所述改善刚度值的所述主要部件代入所述有限元模型，对该有限元模型加载特定力并进行动力学谐响应分析，得到所述有限元模型的刀具中心点在全频率范围受力状态下模态数据变化量；
步骤S5，基于所述刀具中心点模态数据变化量，对所述有限元模型进行灵敏度分析，当定量改变所述部件质量数值，所述刀具中心点模态数据变化量最大时，所述部件称为薄弱部分；
步骤S6，以调整所述薄弱部分的刚度数值及质量数值为目的，得到多组优化方案；
步骤S7，将多组所述优化方案代入所述有限元模型进行有限元分析并做效果对比，确定最优方案；
步骤S8，根据所述最优方案，根据加工制造需求进行微调，对所述机床进行加工装配和测试，得到动力学性能改善的改善机床。
2.根据权利要求1所述的结合测试与仿真技术提升机床动态特性的结构优化方法，其特征在于：
其中，在步骤S1中，所述模态数据包括频率数据、振型数据、振幅数据。
3.根据权利要求1所述的结合测试与仿真技术提升机床动态特性的结构优化方法，其特征在于：
其中，在步骤S3中，所述关键部位为所述有限元模型中所述主要部件间的结合面。
4.根据权利要求1所述的结合测试与仿真技术提升机床动态特性的结构优化方法，其特征在于：
其中，在步骤S4中，所述特定力为等幅变频的作用力。
5.根据权利要求1所述的结合测试与仿真技术提升机床动态特性的结构优化方法，其特征在于：
其中，在步骤S6中，应用仿生自适应成长原理对所述薄弱部分进行结构拓扑优化方法或者其他的拓扑优化方法调整所述薄弱部分的刚度数值及质量数值。
6.根据权利要求1所述的结合测试与仿真技术提升机床动态特性的结构优化方法，其特征在于，还包括以下步骤：
步骤S9，对比分析所述改善机床较所述机床的测试模态数据的各阶固有频率的提升率，确认所述最优方案的先进性及进一步优化所述改善机床的可行性。
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Legal Events
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|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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