CN110347117A - 一种用于快速刀具伺服系统的刀架设计方法、系统及介质 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种用于快速刀具伺服系统的刀架设计方法、系统及介质，方法包括根据快速刀具伺服系统性能要求确定刀架的结构形式、设计参数以及材料属性，并给出刀架的动静态性能的优化目标范围；建立刀架有限元模型并进行分析，得到不同设计参数下刀架的动静态性能；建立柔性刀架疲劳可靠度数学模型并结合有限分析对其进行求解，得到刀架疲劳可靠度和各设计参数的关系曲线；根据不同设计参数下刀架的动静态性能、刀架疲劳可靠度和各设计参数的关系曲线确定刀架的设计参数。本发明结合有限元方法分析刀架疲劳可靠性，设计出的刀架结构不仅精度高，同时具有更可靠的使用寿命。

Description

一种用于快速刀具伺服系统的刀架设计方法、系统及介质
技术领域
本发明涉及快速刀具伺服系统的柔性刀架结构设计，具体涉及一种用于快速刀具伺服系统的刀架设计方法、系统及介质。
背景技术
快速刀具伺服加工技术是一种新型的复杂面形加工技术，它通过控制刀具做高频响、高精度的往复运动，与机床伺服轴运动相匹配，实现对非回转对称或复杂面形零件的超精密加工。快速刀具伺服技术的发展，为靶零件加工提供了一种新型、高效、经济可靠的途径。
目前比较成熟的快速刀具伺服系统一般采用压电陶瓷作为驱动元件，刀具装在柔性刀架构成的刀架上作为执行元件，通过压电陶瓷推动刀架带动刀具工作。构成刀架的柔性刀架是利用材料弹性回复原理设计的一种机械传动装置，具有传动准确、无摩擦、不需润滑、无空程等优点，是快速刀具伺服系统应用最成熟的运动传递装置，引起了国内外学者的广泛关注。柔性刀架在精密工程、仪器测量、航空航天以及微机电系统等领域有着广泛的应用。
目前快速伺服刀具的刀架设计通常是基于弹性力学理论对刀架结构参数进行优化，在建立数学模型时会对结构进行假设或简化，计算出刀架刚度理论值与实际值存在一定偏差；考虑疲劳强度方面也只进行静应力校核，不符合高频往复运动结构的客观事实。
发明内容
本发明要解决的技术问题：针对现有技术的上述问题，提供一种用于快速刀具伺服系统的刀架设计方法、系统及介质，本发明结合有限元方法分析刀架疲劳可靠性，设计出的刀架结构不仅精度高，同时具有更可靠的使用寿命，能够使设计的刀架在保持高线性度、重复定位精度、表面跟踪能力同时提高其疲劳可靠度。
为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：
一种用于快速刀具伺服系统的刀架设计方法，实施步骤包括：
1)根据快速刀具伺服系统性能要求确定刀架的结构形式、设计参数以及材料属性，并给出刀架的动静态性能的优化目标范围；
2)建立刀架有限元模型并进行分析，得到不同设计参数下刀架的动静态性能；
3)建立柔性刀架疲劳可靠度数学模型并结合有限分析对其进行求解，得到刀架疲劳可靠度和各设计参数的关系曲线；
4)根据不同设计参数下刀架的动静态性能、刀架疲劳可靠度和各设计参数的关系曲线确定刀架的设计参数。
优选地，步骤1)中根据快速刀具伺服系统性能要求确定刀架的结构形式的步骤包括：建立快速刀具伺服系统机械部分简化的质量-弹簧-阻尼系统，所述质量-弹簧-阻尼系统的运动为典型的二阶运动，质量为M的刀架运动块在陶瓷驱动力F的作用下在y方向和绕z轴产生位移Δy和转角α，w为两个平行铰链之间的间距，L为铰链总长，根据典型二阶系统的阶跃响特点可得到刀架运动块质量、刚度和阻尼对系统响应性能的影响；根据刀架的弹性回复加速度应不小于压电陶瓷的弹性回复加速度、压电陶瓷被刀架刚度吃掉部分行程后的最大输出位移大于系统输出位移指标得到刀架刚度的选取范围；结合刀架运动块质量、刚度和阻尼对系统响应性能的影响以及刀架刚度的选取范围，确定直梁型刀架结构形式。
优选地，步骤1)中材料属性具体是指结合材料属性和价格确定。
优选地，步骤1)中的设计参数包括圆弧半径R、最小厚度t和直梁长度l。
优选地，步骤3)中建立柔性刀架疲劳可靠度数学模型的函数表达式如式(1)所示；
式(1)中，为柔性刀架疲劳可靠度，Se为刀架的疲劳极限，Seqv为刀架的疲劳均值，P表示概率，为中间变量，z为积分变量，为刀架疲劳极限的均值，为刀架等效疲劳强度的均值，为刀架疲劳极限的标准差，为刀架等效疲劳强度的标准差。
优选地，步所述动静态性能包括刀架刚度、疲劳应力和固有频率。
优选地，步骤4)的详细步骤包括：针对刀架疲劳可靠度和各设计参数的关系曲线，根据刀架疲劳可靠度为1确定各设计参数的取值范围，从而对设计参数进行选择；针对选择出来的设计参数，根据不同设计参数下刀架的动静态性能进行优选。
此外，本发明还提供一种所述用于快速刀具伺服系统的刀架设计系统，包括计算机设备，该计算机设备被编程或配置以执行所述用于快速刀具伺服系统的刀架设计方法的步骤。
此外，本发明还提供一种所述用于快速刀具伺服系统的刀架设计系统，包括计算机设备，该计算机设备的存储介质上存储有被编程或配置以执行所述用于快速刀具伺服系统的刀架设计方法的计算机程序。
此外，本发明还提供一种计算机可读存储介质，该计算机可读存储介质上存储有被编程或配置以执行所述用于快速刀具伺服系统的刀架设计方法的计算机程序。
和现有技术相比，本发明具有下述优点：本发明根据快速刀具伺服系统性能要求确定刀架的结构形式、设计参数以及材料属性，并给出刀架的动静态性能的优化目标范围，建立刀架有限元模型并进行分析，得到不同设计参数下刀架的动静态性能，建立柔性刀架疲劳可靠度数学模型并结合有限分析对其进行求解，得到刀架疲劳可靠度和各设计参数的关系曲线；根据不同设计参数下刀架的动静态性能、刀架疲劳可靠度和各设计参数的关系曲线确定刀架的设计参数。本发明结合有限元方法分析刀架疲劳可靠性，设计出的刀架结构不仅精度高，同时具有更可靠的使用寿命，能够使设计的刀架在保持高线性度、重复定位精度、表面跟踪能力同时提高其疲劳可靠度，为柔性刀架的设计提供了一种全新的设计思路和方法。
附图说明
图1为本发明实施例方法的基本流程示意图。
图2为本发明实施例设计刀架的结构示意图。
图3为本发明实施例中建立的质量-弹簧-阻尼系统示意图。
图4是本发明方法实例中设计参数(圆弧半径)和刀架刚度的关系曲线图，其中y轴的铰链刚度表示的为刀架刚度。
图5是本发明方法实例中设计参数(直梁长度)和刀架刚度的关系曲线图，其中y轴的铰链刚度表示的为刀架刚度。
图6是本发明方法实例中设计参数(最小厚度)和刀架刚度的关系曲线图，其中y轴的铰链刚度表示的为刀架刚度。
图7是本发明方法实例中设计参数(圆弧半径)和刀架疲劳可靠度的关系曲线图。
图8是本发明方法实例中设计参数(直梁长度)和刀架疲劳可靠度的关系曲线图。
图9是本发明方法实例中设计参数(最小厚度)和刀架疲劳可靠度的关系曲线图。
图10是本发明方法实例中优化参数组合下刀架性能(刚度)的有限元仿真结果。
图11是本发明方法实例中优化参数组合下刀架性能(应力)的有限元仿真结果。
图12是本发明方法实例中优化参数组合下刀架性能(固有频率与振型)的有限元仿真结果。
图13是本发明方法实例中快速刀具伺服系统柔性刀架平面示意图。
具体实施方式
为更好地理解本发明，下面结合附图对本发明作进一步说明，但是本发明的实施方式不限于此。
如图1所示，本实施例用于快速刀具伺服系统的刀架设计方法的实施步骤包括：
1)根据快速刀具伺服系统性能要求确定刀架的结构形式、设计参数以及材料属性，并给出刀架的动静态性能的优化目标范围；
2)建立刀架有限元模型并进行分析，得到不同设计参数下刀架的动静态性能；
3)建立柔性刀架疲劳可靠度数学模型并结合有限分析对其进行求解，得到刀架疲劳可靠度和各设计参数的关系曲线；
4)根据不同设计参数下刀架的动静态性能、刀架疲劳可靠度和各设计参数的关系曲线确定刀架的设计参数。
本实施例中，步骤1)中根据快速刀具伺服系统性能要求确定刀架的结构形式的步骤包括：建立快速刀具伺服系统机械部分简化的质量-弹簧-阻尼系统，所述质量-弹簧-阻尼系统的运动为典型的二阶运动，质量为M的刀架运动块在陶瓷驱动力F的作用下在y方向和绕z轴产生位移Δy和转角α，w为两个平行铰链之间的间距，L为铰链总长，根据典型二阶系统的阶跃响特点可得到刀架运动块质量、刚度和阻尼对系统响应性能的影响；根据刀架的弹性回复加速度应不小于压电陶瓷的弹性回复加速度、压电陶瓷被刀架刚度吃掉部分行程后的最大输出位移大于系统输出位移指标得到刀架刚度的选取范围；结合刀架运动块质量、刚度和阻尼对系统响应性能的影响以及刀架刚度的选取范围，确定直梁型刀架结构形式。
本实施例中刀架的形状如图2所示，其中R为刀架圆弧半径，l为直梁长度，t为直梁最小厚度，b为刀架宽度，M’为刀架承受的弯矩。
本实施例中建立快速刀具伺服系统机械部分简化的质量-弹簧-阻尼系统如图3所示，其运动为典型的二阶运动，质量为M的刀架运动块在陶瓷驱动力F的作用下在y方向和绕z轴产生位移Δy和转角α，w为两个平行铰链之间的间距，L为铰链总长。根据典型二阶系统的阶跃响特点可得到刀架运动块质量、刚度和阻尼对系统响应性能的影响。
本实施例中步骤1)中材料属性具体是指结合材料属性和价格确定。
本实施例中步骤1)中的设计参数包括圆弧半径R、最小厚度t和直梁长度l。设计参数范围和刀架其它结构参数由表1给出。
表1：设计参数范围和刀架其它结构参数表。
本实施例中步骤2)建立刀架有限元模型并进行分析，得到不同设计参数下刀架的动静态性能。建立刀架有限元模型时，弹簧钢弹性模型为210GPa，泊松比为0.3，密度为7850kg/m3，约束为用于刀架固定的沉孔处，载荷施加在压电陶瓷与刀架运动块接触处，单元为solid185，单元大小0.01m；根据快刀系统实际工况设置边界条件。最终，得到各动静态性能的参数与刀架刚度的关系曲线如图4～图6所示。由图4、图5、图6可知，圆弧半径和直梁长度越大，刀架刚度越小，最小厚度越大，刀架刚度越大；各参数方案下刀架的最大应力不超过0.15GPa，远小于材料屈服极限；各参数方案下刀架的一阶固有频率均大于2000Hz，远大于工作频率。
本实施例中，步骤3)中建立柔性刀架疲劳可靠度数学模型的函数表达式如式(1)所示；
式(1)中，为柔性刀架疲劳可靠度，Se为刀架的疲劳极限，Seqv为刀架的疲劳均值，P表示概率，为中间变量，z为积分变量，为刀架疲劳极限的均值，为刀架等效疲劳强度的均值，为刀架疲劳极限的标准差，为刀架等效疲劳强度的标准差。
本实施例中，柔性刀架疲劳可靠度数学模型的推导过程如下：
零部件在疲劳、摩擦磨损和腐蚀等载荷的长期作用下，其强度会逐渐衰减。当零部件工作到某个时间点时，应力强度分布曲线发生干涉，强度的衰减使得应力在一定的范围内大于强度，结果导致零部件的失效，干涉区域的大小决定零部件在此条件下的不可靠度。假设f(S)和f(σ)分别为应力和强度的概率密度函数，应力强度干涉法认为零件可靠度为强度S大于应力σ的概率，得到刀架系统的可靠度公式的函数表达式如式(1-1)所示；
式(1-1)中，为柔性刀架疲劳可靠度，S为刀架材料强度，σ为疲劳应力，P[(σ-S)＞0]表示刀架材料强度小于其疲劳应力的概率，f(S)表示刀架材料强度概率密度函数，f(σ)表示疲劳应力概率密度函数。S和应力σ均为各个设计量的函数，设S＝f(x1,x2,…,xn)、σ＝g(x1,x2,…,xn)且可求得均值μS的近似值如式(1-2)所示，标准差δS的近似值如式(1-3)所示；
式(1-2)中，E(S)为应力S的一阶原点矩，f(x)为设计变量的概率密度函数，xi为各个强度影响的设计变量，μi为各随机变量的均值，i＝1，2，…，n。
式(1-3)中，var(S)为应力S的二阶中心矩。，f(x)为设计变量的概率密度函数，xi为各个强度影响的设计变量，μi为各随机变量的均值，i＝1，2，…，n。
对于等效疲劳强度Seqv＝feqv(x1,x2,…,xn)，则有式(1-4)：
式(1-4)中，feqv为等效疲劳强度概率密度，xi为各个强度影响的设计变量，μi为各随机变量的均值，为设计变量的标准差，i＝1，2，…，n。
最终，可得到柔性刀架疲劳可靠度数学模型的函数表达式如式(1)所示。强度S和应力σ均与材料参数和结构尺寸参数相关，本实施例的设计中材料已定为弹簧钢，各设计参数的均值、标准差、公差由其分析范围确定。根据数学模型得到刀架疲劳可靠度与各设计参数的关系曲线如图7～图9所示。由图7、图8和图9可知当圆弧半径和直梁长度的数值大于其临界值、最小厚度数值小于其临界值时，刀架疲劳可靠度将大幅度下降；三个参数的临界值分别为5.5mm、7mm和0.8mm。
本实施例中，动静态性能包括刀架刚度、疲劳应力和固有频率。
本实施例中，步骤4)的详细步骤包括：针对刀架疲劳可靠度和各设计参数的关系曲线，根据刀架疲劳可靠度为1确定各设计参数的取值范围，从而对设计参数进行选择；针对选择出来的设计参数，根据不同设计参数下刀架的动静态性能进行优选。
本实施例中，为保证刀架的工作寿命，其疲劳可靠度必须为1，结合刚度计算结果以及刚度取值范围，确定圆弧半径R＝5mm，最小厚度t＝0.8mm，和直梁长度l＝7mm。该方案下刀架刚度、应力和模态有限元仿真结果如图10、图11和图12所示，其刚度为17.65N/μm，最大应力为0.14GPa，一阶固有频率为2389.7Hz。优化方案的最终仿真计算结果由表2给出。
表2：优化方案的最终仿真计算结果。
刚度(N/μm) 最大应力(GPa) 固有频率(Hz) 可靠度
17.65 0.14 2389.7 1
具体的快速刀具伺服系统的柔性刀架平面示意图如图13所示。其中刀架1通过预紧螺钉2安装在预紧板3上，刀具5通过固定螺钉6和固定块4安装在刀架1上，压电陶瓷7作为驱动元件用于驱动刀架1和刀具5。本实施例用于快速刀具伺服系统的刀架设计方法得到的优化方案保证系统精度和跟踪能力的同时确保了结构的疲劳可靠度。综上所述，本实施例用于快速刀具伺服系统的刀架设计方法根据快速刀具伺服运动状态分析，得到刀架部件运动质量、刚度、阻尼等参数对系统响应及跟踪能力的影响，通过有限元建模仿真优化刀架结构参数，同时分析各参数条件下刀架结构的疲劳可靠度，综合优选最佳参数。用理论计算公式计算刀架的刚度和固有频率时对结构进行了很多简化和假设，其计算精度不如有限元仿真方法。此外，疲劳可靠度分析使得刀架结构在保持高精度的同时具有可靠的工作寿命，为柔性刀架的设计提供了一种全新的设计思路和方法。
此外，本实施例还提供一种所述用于快速刀具伺服系统的刀架设计系统，包括计算机设备，该计算机设备被编程或配置以执行本实施例前述用于快速刀具伺服系统的刀架设计方法的步骤。此外，本实施例还提供一种所述用于快速刀具伺服系统的刀架设计系统，包括计算机设备，该计算机设备的存储介质上存储有被编程或配置以执行本实施例前述用于快速刀具伺服系统的刀架设计方法的计算机程序。此外，本实施例还提供一种计算机可读存储介质，该计算机可读存储介质上存储有被编程或配置以执行本实施例前述用于快速刀具伺服系统的刀架设计方法的计算机程序。
本领域内的技术人员应明白，本申请的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本申请可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。
本申请是参照根据本申请实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种用于快速刀具伺服系统的刀架设计方法，其特征在于实施步骤包括：
1)根据快速刀具伺服系统性能要求确定刀架的结构形式、设计参数以及材料属性，并给出刀架的动静态性能的优化目标范围；
2)建立刀架有限元模型并进行分析，得到不同设计参数下刀架的动静态性能；
3)建立柔性刀架疲劳可靠度数学模型并结合有限分析对其进行求解，得到刀架疲劳可靠度和各设计参数的关系曲线；
4)根据不同设计参数下刀架的动静态性能、刀架疲劳可靠度和各设计参数的关系曲线确定刀架的设计参数。
2.根据权利要求1所述用于快速刀具伺服系统的刀架设计方法，其特征在于，步骤1)中根据快速刀具伺服系统性能要求确定刀架的结构形式的步骤包括：建立快速刀具伺服系统机械部分简化的质量-弹簧-阻尼系统，所述质量-弹簧-阻尼系统的运动为典型的二阶运动，质量为M的刀架运动块在陶瓷驱动力F的作用下在y方向和绕z轴产生位移Δy和转角α，w为两个平行铰链之间的间距，L为铰链总长，根据典型二阶系统的阶跃响特点可得到刀架运动块质量、刚度和阻尼对系统响应性能的影响；根据刀架的弹性回复加速度应不小于压电陶瓷的弹性回复加速度、压电陶瓷被刀架刚度吃掉部分行程后的最大输出位移大于系统输出位移指标得到刀架刚度的选取范围；结合刀架运动块质量、刚度和阻尼对系统响应性能的影响以及刀架刚度的选取范围，确定直梁型刀架结构形式。
3.根据权利要求1所述用于快速刀具伺服系统的刀架设计方法，其特征在于，步骤1)中材料属性具体是指结合材料属性和价格确定。
4.根据权利要求1所述用于快速刀具伺服系统的刀架设计方法，其特征在于，步骤1)中的设计参数包括圆弧半径R、最小厚度t和直梁长度l。
5.根据权利要求1所述用于快速刀具伺服系统的刀架设计方法，其特征在于，步骤3)中建立柔性刀架疲劳可靠度数学模型的函数表达式如式(1)所示；
式(1)中，为柔性刀架疲劳可靠度，Se为刀架的疲劳极限，Seqv为刀架的疲劳均值，P表示概率，为中间变量，z为积分变量，为刀架疲劳极限的均值，为刀架等效疲劳强度的均值，为刀架疲劳极限的标准差，为刀架等效疲劳强度的标准差。
6.根据权利要求1所述用于快速刀具伺服系统的刀架设计方法，其特征在于，所述动静态性能包括刀架刚度、疲劳应力和固有频率。
7.根据权利要求6所述用于快速刀具伺服系统的刀架设计方法，其特征在于，步骤4)的详细步骤包括：针对刀架疲劳可靠度和各设计参数的关系曲线，根据刀架疲劳可靠度为1确定各设计参数的取值范围，从而对设计参数进行选择；针对选择出来的设计参数，根据不同设计参数下刀架的动静态性能进行优选。
8.一种所述用于快速刀具伺服系统的刀架设计系统，包括计算机设备，其特征在于，该计算机设备被编程或配置以执行权利要求1～7中任意一项所述用于快速刀具伺服系统的刀架设计方法的步骤。
9.一种所述用于快速刀具伺服系统的刀架设计系统，包括计算机设备，其特征在于，该计算机设备的存储介质上存储有被编程或配置以执行权利要求1～7中任意一项所述用于快速刀具伺服系统的刀架设计方法的计算机程序。
10.一种计算机可读存储介质，其特征在于，该计算机可读存储介质上存储有被编程或配置以执行权利要求1～7中任意一项所述用于快速刀具伺服系统的刀架设计方法的计算机程序。
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