CN109634122A - 一种基于优化顺序的机床动态性能提升方法 - Google Patents
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Abstract
根据本发明所涉及的一种基于优化顺序的机床动态性能提升方法，因为将机床转化为多个相互关联的部件，在每个受力部件上设置一个关键点并在获取关键点在受力下的空间矢量改变量，对关键点的空间矢量改变量进行分析，得到优化顺序，再按优化顺序依次对受力部件进行优化，最后将优化后的受力部件加工装配得到动态性能提升的机床。所以，本发明的基于优化顺序的机床动态性能提升方法通过在机床受力时中对机床中的每个受力部件进行受力分析再依次进行优化，属于一种混合建模的方法。不同于单一建模，本方法综合考虑了机床工作时部件间的约束对部件造成的影响，其相对单一建模的方法提升机床动态性能在精度和效率上更具优越性。
Description
技术领域
本发明属于机床设备领域，具体涉及一种基于优化顺序的机床动态性能提升方法。
背景技术
目前在机床设备领域中，针对机床整机的动态性能优化主要是对单一部件进行结构修改。以往行业经验是对每一个机床大件的结构构型与特征尺寸进行单独的优化修改，为机床大件结构的动态性能设计提供了参考，属于针对单一部件建模的方法。而单一建模的方法在对部件动态性能的分析上无法将机床工作时整体部件间的约束对部件造成的影响考虑在内，因此通过单一部件建模的方法提升机床动态性能在精度和效率上都存在明显的限制与不足。
发明内容
本发明是为了解决上述问题而进行的，目的在于提供一种基于优化顺序的机床动态性能提升方法，具有这样的特征，包括以下步骤：
步骤S1，根据机床工作时的结构受力特点将机床转化为整机上的多个受力部件；
步骤S2，对每个受力部件建立一个关键点；
步骤S3，对每个关键点建立三维坐标系，获取关键点在受力状态下空间坐标点的矢量改变量；
步骤S4，对每个受力部件的关键点的空间坐标点的矢量改变量从大到小进行排序，得到优化顺序；
步骤S5，按优化顺序依次对每个受力部件在整机装配状态约束条件下进行优化得到优化受力部件；
步骤S6，将优化受力部件进行加工装配，得到动态性能提升的机床，
其中，步骤S5包括以下子步骤：
步骤S5-1，按优化顺序选取准备进行优化的受力部件；
步骤S5-2，在受力部件上设置多个测试点，根据该测试点的在受力部件上的分布将受力部件简化为受力结构体；
步骤S5-3，将多个测试点代入灵敏度公式进行受力结构体的灵敏度计算，
刚度灵敏度公式为：
质量灵敏度公式为：
ωr为机床第r阶固有频率；φir和φjr分别为机床第r阶固有频率中的测试点i和测试点j的振型向量，kij为机床测试点i与测试点j之间的结构刚度；mij为机床测试点i与测试点j之间的质量；
步骤S5-4，通过灵敏度计算得到相关的按的数值从大到小进行排序，得到刚度敏感数组及质量敏感数组；
步骤S5-5，按刚度敏感数组的顺序依次增强对应结构刚度kij，得到刚度改善部件；
步骤S5-6，将刚度改善部件按质量敏感数组的顺序依次减少对应结构质量mij，得到优化部件；
步骤S5-7，重复步骤S5-1～S5-6，直至每个受力部件都被优化成优化受力部件。
在本发明提供的一种基于优化顺序的机床动态性能提升方法中，还可以具有这样的特征：其中，在步骤S2中，关键点设置在受力部件与其它部件的接触面上或者设置在受力部件与地面的接触面上。
在本发明提供的一种基于优化顺序的机床动态性能提升方法中，还可以具有这样的特征：其中，在步骤S3中，可以通过试验方法、仿真方法、计算方法中任何一种方法获取关键点在受力状态下的空间坐标点的矢量改变量。
发明的作用与效果
根据本发明所涉及的基于优化顺序的机床动态性能提升方法，因为将机床转化为多个相互关联的部件，在每个受力部件上设置一个关键点并在获取关键点在受力下的空间矢量改变量，对关键点的空间矢量改变量进行分析，得到优化顺序，再按优化顺序依次对受力部件进行优化，最后将优化后的受力部件加工装配得到动态性能提升的机床。所以，本发明的基于优化顺序的机床动态性能提升方法通过在机床受力时中对机床中的每个受力部件进行受力分析再依次进行优化，属于一种混合建模的方法。不同于单一建模，混合建模是方法综合考虑了机床工作时部件间的约束对部件造成的影响，其相对单一建模的方法提升机床动态性能在精度和效率上更具优越性，因此大大加强了机床的动态性能。
附图说明
图1是本发明的实施例一中基于优化顺序的机床动态性能提升方法的步骤示意图；
图2是本发明的实施例一中基于优化顺序的机床动态性能提升方法的三轴机床结构示意图；
图3是本发明的实施例一中基于优化顺序的机床动态性能提升方法的力的传导路径(1)各关键点拓扑结构示意图；
图4是本发明的实施例一中基于优化顺序的机床动态性能提升方法的主轴箱经简化后得到的受力结构体示意图；以及
图5是本发明的实施例二中基于优化顺序的机床动态性能提升方法的五轴机床结构示意图。
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基于优化顺序的机床动态性能提升方法作具体阐述。
<实施例一>
如图1所示，一种基于优化顺序的机床动态性能提升方法S，包括如下步骤：
步骤S1，机床工作时，受力表现为机床的刀头对工件做功时机床结构受到的反作用力，根据机床工作时的结构受力特点将机床转化为多个受力部件，在本实施例中，如图2所示，机床优先选用三轴机床S100，受力部件的数量为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；
步骤S2，对每个受力部件建立一个关键点，这些关键点都设置在机床处在正常工作时力的传导路径上，在本实施例中，机床处在正常工况时，主轴箱S10上的刀头S11对固定在工作台S50上的工件进行机械加工，因此，机床的力的传导路径可以分为两条，分别是：(1)主轴箱S10—立柱S20—床身S30—地面；(2)工作台S50—滑鞍S40—床身S30—地面，其中主轴箱S10受到的作用力与工作台S50因为刀头S11对工件做工而受到一对大小相同，方向相反的作用力；关键点设置在受力部件与其它部件的接触面上或者设置在受力部件与地面的接触面上，关键点具体设置原则为按照上述两条力的传导路径表现的部件间相互之间受力的关系，关键点总是属于两个相接触受力部件的前一个，以力的传导路径(1)为例：主轴箱S10的关键点位于主轴箱S10与立柱S20的接触面上，立柱S20的关键点位于立柱S20与床身S30的接触面上，床身S30的关键点位于床身S30与地面的接触面上。
步骤S3，对每个关键点建立三维坐标系，机床工作时，获取关键点在受力状态下空间坐标点的矢量改变量；可以通过试验方法、仿真方法、计算方法中任何一种方法获取关键点在受力状态下的空间坐标点的矢量改变量。在本实施例中，以力的传导路径(1)为例，如图3所示，在力的传导路径(1)TP的拓扑结构上，连接有主轴箱S10的关键点A、立柱S20的关键点B、床身S30的关键点C，分别以主轴箱S10的关键点A、立柱S20的关键点B、床身S30的关键点C为原点建立空间坐标系得到主轴箱S10的关键点坐标系CA、立柱S20的关键点坐标系CB、床身S30的关键点坐标系CC。通过实验方法测得各关键点在机床处在正常工况下时的各自坐标系的坐标值改变值，即为各受力部件的关键点在受力状态下空间坐标点的矢量改变量，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上关键点部位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中并提取关键点的振幅矢量数值作为该关键点的矢量改变量。
步骤S4，对每个受力部件的关键点的空间坐标点的矢量改变量从大到小进行排序，得到优化顺序。
获取优化顺序的目的是为了依次优化受力部件，提高每个受力部件的动态性能进而使机床整机的动态性能得到提升。
机床的动态性能主要取决于机床工作时的振幅和整机的固有频率，整机工作时振幅越小，固有频率越大，整机的动态性能越好。整机刚度越大，整机工作时振幅越小，固有频率越大；整机质量越小，整机的固有频率越大。关键点的矢量改变量越大即说明受力部件在机床工作时产生的振幅越大，受力部件越需要进行刚度上的优化，同时动态性能方面的优化还应兼顾固有频率的增加，因此受力部件的质量轻量化也是优化过程中应予以考虑的因素；
步骤S5，按优化顺序将每个受力部件代入后处理软件LMSTestLab中建立有限元模型并依次对每个受力部件进行优化得到优化受力部件；
步骤S5包括以下子步骤：
步骤S5-1，按优化顺序选取准备进行优化的受力部件；
步骤S5-2，在受力部件上设置多个测试点，多个测试点应体现受力部件整体的质量和刚度分布，根据该测试点的在受力部件上的分布将受力部件简化为受力结构体；
测试点的设置原则为：测试点的质量反比于测试点和受力结构体重心的距离。
将受力部件简化为受力结构体的原则为：
(1)受力结构体均忽略细小结构特征，仅为由线、面、体组成的结构，如图4所示，以主轴箱S10为例，简化主轴箱S10得到受力结构体D；
(2)受力部件的刚度平均分配在受力结构体中线与线的结构交点。
(3)受力结构体的结构交点即为测试点。
步骤S5-3，将多个测试点代入灵敏度公式进行受力结构体的灵敏度计算，
刚度灵敏度公式为：
质量灵敏度公式为：
ωr为机床第r阶固有频率；φir和φjr分别为机床第r阶固有频率中的测试点i和测试点j的振型向量，kij为机床测试点i与测试点j之间的结构刚度；mij为机床测试点i与测试点j之间的质量；
步骤S5-4，通过灵敏度计算得到相关的按的数值从大到小进行排序，越大则表示受力部件上测试点i与测试点j连线的结构刚度kij处在机床第r阶固有频率ωr下时，结构刚度kij对机床第r阶固有频率ωr的影响越大，越大则表示受力部件上测试点i与测试点j连线的结构质量mij处在机床第r阶固有频率ωr下时，结构刚度mij对机床第r阶固有频率ωr的影响越大，得到刚度敏感数组及质量敏感数组；
步骤S5-5，按刚度敏感数组的顺序依次增强对应结构刚度kij，即增强测试点i与测试点j间连线的结构刚度，得到刚度改善部件。在本实施例中，增加刚度的具体方法为先在主轴箱需增强结构刚度的两点间成对添加加强筋，考虑整机质量、结构限时等要求，约束加强筋的横截面长、宽尺寸分别为横截面宽度≥0mm、横截面长度≤25mm，令横截面宽度为h1、长度为h2、，以横截面的长宽度限制作为约束条件建立以提高机床一阶模态频率ω为设计目标的优化方程；max(h1,h2)，求解此方程得到h1为10mm、h2为20mm，简单计算得到加强筋的质量m1为0.6kg，通过h1、h2、m1求得加强筋对主轴箱能达到的刚度增益值kij*2＝(0.6*2)kg。
步骤S5-6，将刚度改善部件按质量敏感数组的顺序依次减少对应结构质量mij，得到优化部件，在本实施例中，当主轴箱S10质量减少量为初始质量的15％时，高阶模态频率的峰值将成倍提高，影响整机工作时的稳定性。因此对于需要减少的质量的范围应为：0.6*2(两根)kg≤mopt(优化目标质量)≤5kg，基于本领域经验，建立质量修改优化特性加权公式：mopt＝0.5m(ω1)+0.3m(ω2)+0.05m(ω3)+0.05m(ω4)+0.05m(ω5)+0.05m(ω6)，其中ω1至ω6分别代表机床第1阶至第6阶的固有频率求解得到需减少质量的计算值mopt，得到计算值后还需综合考虑部件材料，设备设计体积、设备质量限制及部件工艺加工水平等因素进行细微调整，如通过计算，得到主轴箱S10应减少的质量为2.2kg；
步骤S5-7，重复步骤S5-1～S5-6，直至每个受力部件都被优化成优化受力部件，在重复的过程中，每个受力部件优化后，后一个进行优化的受力部件的优化都是在前个受力部件优化后的机床整机中进行灵敏度分析并进行相关结构优化的，因此受力部件在优化的过程中始终处于与其他受力部件的相互的受力约束的前提下，保证了在提升机床动态性的过程受力部件的优化能具有更高的精度和效率。
步骤S6，将优化受力部件进行加工装配，得到动态性能提升的机床。
得到动态性能提升的机床后，还可对机床重复步骤S4-步骤S6,使机床的动态性能得到进一步提升，在本实施例中，重复一次时，机床动态性能得到进一步提升，重复大于一次时，机床的动态性能无明显提升。
<实施例二>
本实施例与实施例一的不同之处在于应用的机床为五轴机床，如图5所示，机床选用五轴机床M100，受力部件的数量为7个，分别是主轴箱M10、托板M20、横梁M30、左立柱M40、右立柱M50、工作台M60、床身M70，主轴箱M10上设置刀头M11；
五轴机床工作时的受力链也可以分为两条，分别是：(1)主轴箱M10—托板M20—横梁M30—(左立柱M40+右立柱M50)—床身M70—地面；(2)工作台M60—床身M70—地面。
实施例的作用与效果
根据本实施例所涉及的基于优化顺序的机床动态性能提升方法，因为将机床转化为多个部件，在每个受力部件上设置一个关键点并在获取关键点在受力下的空间矢量改变量，对关键点的空间矢量改变量进行分析，得到优化顺序数组，再按优化顺序数组依次对受力部件进行优化，最后将优化后的受力部件加工装配得到动态性能提升的机床。所以，本实施例的基于优化顺序的机床动态性能提升方法通过在机床受力时中对机床中的每个受力部件进行受力分析再依次进行优化，属于一种混合建模的方法。不同于单一建模，混合建模是方法是在综合考虑了机床工作时整体部件间的约束对部件造成的影响，其相对单一建模的方法提升机床动态性能在精度和效率上更具优越性，因此大大加强了机床的动态性能，提高了切削加工的稳定性。
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 (3)
1.一种基于优化顺序的机床动态性能提升方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤S1，根据机床工作时的结构受力特点将所述机床转化为多个受力部件；
步骤S2，对每个所述受力部件建立一个关键点；
步骤S3，对每个所述关键点建立三维坐标系，获取所述关键点在受力状态下空间坐标点的矢量改变量；
步骤S4，对每个所述受力部件的所述关键点的空间坐标点的矢量改变量从大到小进行排序，得到优化顺序；
步骤S5，按所述优化顺序依次对每个受力部件进行优化得到优化受力部件；
步骤S6，将所述优化受力部件进行加工装配，得到动态性能提升的机床，
其中，步骤S5包括以下子步骤：
步骤S5-1，按所述优化顺序选取准备进行优化的所述受力部件；
步骤S5-2，在所述受力部件上设置多个测试点，根据该测试点的在所述受力部件上的分布将所述受力部件简化为受力结构体；
步骤S5-3，将多个所述测试点代入灵敏度公式进行所述受力结构体的灵敏度计算，
刚度灵敏度公式为：
质量灵敏度公式为：
ωr为所述机床第r阶固有频率；φir和φjr分别为所述机床第r阶固有频率中的测试点i和测试点j的振型向量，kij为所述机床测试点i与测试点j之间的结构刚度；mij为所述机床测试点i与测试点j之间的质量；
步骤S5-4，通过所述灵敏度计算得到相关的按 的数值从大到小进行排序，得到刚度敏感数组及质量敏感数组；
步骤S5-5，按所述刚度敏感数组的顺序依次增强对应所述结构刚度kij，得到刚度改善部件；
步骤S5-6，将所述刚度改善部件按所述质量敏感数组的顺序依次减少对应所述结构质量mij，得到优化部件；
步骤S5-7，重复步骤S5-1～S5-6，直至每个所述受力部件都被优化成所述优化受力部件。
2.根据权利要求1所述的基于优化顺序的机床动态性能提升方法，其特征在于：
其中，在步骤S2中，所述关键点设置在所述受力部件与其它部件的接触面上或者设置在所述受力部件与地面的接触面上。
3.根据权利要求1所述的基于优化顺序的机床动态性能提升方法，其特征在于：
其中，在步骤S3中，可以通过试验方法、仿真方法、计算方法中任何一种方法获取所述关键点在受力状态下的空间坐标点的矢量改变量。
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| 刘成颖 等: "基于灵敏度分析的机床床身多目标优化研究", 《组合机床与自动化加工技术》 * |
| 叶志明: "基于机床整机刚度特性的床身结构优化设计", 《中国优秀硕士学位论文全文数据库 工程科技Ⅰ辑》 * |
| 孙晓辉 等: "高刚度轻质量的机床床身优化设计方法研究", 《机械科学与技术》 * |
| 宋宇 等: "机床床身结构综合优化设计技术", 《制造技术与机床》 * |
| 应申舜 等: "基于模态参数验证的机床结构件优化设计", 《浙江大学学报(工学版)》 * |
| 李天箭 等: "基于空间统计学的机床动力学特性", 《机械工程学报》 * |
| 汪兵兵 等: "机械基础结构多目标拓扑优化设计方法", 《包装工程》 * |
| 陈叶林 等: "机床床身结构优化设计方法", 《机械设计》 * |
| 韦茵 等: "机床主轴组件的动态性能计算与灵敏度分析", 《沈阳工业大学学报》 * |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN109634122B (zh) | 2021-07-20 |
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