CN110674601A - 五轴动梁龙门立式铣床多位姿有限元建模方法 - Google Patents

五轴动梁龙门立式铣床多位姿有限元建模方法 Download PDF

Info

Publication number
CN110674601A
CN110674601A CN201910908032.4A CN201910908032A CN110674601A CN 110674601 A CN110674601 A CN 110674601A CN 201910908032 A CN201910908032 A CN 201910908032A CN 110674601 A CN110674601 A CN 110674601A
Authority
CN
China
Prior art keywords
finite element
pose
machine tool
coordinate system
axis moving
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Granted
Application number
CN201910908032.4A
Other languages
English (en)
Other versions
CN110674601B (zh
Inventor
张俊
张观尘
汤伟民
朱超
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Fuzhou University
Original Assignee
Fuzhou University
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Fuzhou University filed Critical Fuzhou University
Priority to CN201910908032.4A priority Critical patent/CN110674601B/zh
Publication of CN110674601A publication Critical patent/CN110674601A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN110674601B publication Critical patent/CN110674601B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Landscapes

  • Numerical Control (AREA)

Abstract

本发明提出一种五轴动梁龙门立式铣床多位姿有限元建模方法，首先对机床各类结合部进行节点规划、对机床各子结构进行有限元前处理，建立其有限元模型；然后将各子结构有限元模型导入同一有限元文件；再通过变换局部坐标系将机床有限元模型调整至目标位姿；最后利用弹簧阻尼模型建立机床各类结合部即可得到目标位姿下的机床有限元模型。本发明可通过输入位姿文件的方式，实现机床工作空间任意位姿下有限元模型的自动生成，提高了有限元建模效率，为五轴动梁龙门立式铣床工作空间全域位姿的静动态特性分析提供了高效解决方案。

Description

五轴动梁龙门立式铣床多位姿有限元建模方法
技术领域
本发明涉及机械设备建模领域，尤其涉及一种五轴动梁龙门立式铣床多位姿有限元建模方法。
背景技术
五轴动梁龙门立式铣床是一种用于加工盘类、轴类等大型复杂零件的高端机床，具有承载重量大、加工行程大和加工精度高等特点，常用于航空航天、航海和军事工业等领域。由于此类机床用于复杂零件的高精加工，所以在结构上要求有较高的静刚度与抗振性，在设计阶段需要对其进行静动态特性分析。
随着计算机运算能力的提升，有限元技术在结构静动态特性分析领域得到了广泛的应用。鉴于此类机床静动态特性随机床位姿的改变而变化较大，所以需对其工作空间全域位姿进行有限元分析。机床由立柱、顶梁、动梁、溜板、滑枕和摆转铣头等部件构成，结构复杂，因此人工建立其工作空间各个位姿有限元模型的工作量巨大，建模效率低。
发明内容
为解决上述现有技术中存在的问题，本发明旨在提供一种五轴动梁龙门立式铣床多位姿有限元建模方法，可通过输入位姿文件的方式，实现机床工作空间任意位姿下有限元模型的自动生成，显著提高有限元建模效率。
其首先对机床各类结合部进行节点规划、对机床各子结构进行有限元前处理，建立其有限元模型；然后将各子结构有限元模型导入同一有限元文件；再通过变换局部坐标系将机床有限元模型调整至目标位姿；最后利用弹簧阻尼模型建立机床各类结合部即可得到目标位姿下的机床有限元模型。本发明可通过输入位姿文件的方式，实现机床工作空间任意位姿下有限元模型的自动生成，提高了有限元建模效率，为五轴动梁龙门立式铣床工作空间全域位姿的静动态特性分析提供了高效解决方案。
本发明具体采用以下技术方案：
一种五轴动梁龙门立式铣床多位姿有限元建模方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤S1：结合部节点规划：根据有限元模型所需位姿变化步长和结合部类型，对结合部节点的位置分布与数量进行规划，并依照规划在机床各子结构几何模型对应位置建立硬点（HARD POINT，网格划分时会在硬点位置强制生成节点）；
步骤S2：网格划分：设置材料参数与单元类型，使用自由划分方法对机床各子结构几何模型进行网格划分，将各子结构有限元模型的节点和单元设置为组件（COMPONENT）并分离有限元模型与几何模型；
步骤S3：组装有限元模型：将各子结构有限元模型导入同一有限元文件，并连接机床中所有的固定结合部，组装为初始的待调整位姿的整机有限元模型；
步骤S4：在位姿文件中输入目标位姿下机床各部件的位置及转角；
步骤S5：调整位姿：根据步骤S4中输入的位姿参数建立各部件目标位姿下的局部坐标系Cn’，并将各部件由对应初始坐标系Cn0移动至对应局部坐标系Cn’，移动之前部件中各节点在初始坐标系Cn0中的坐标值与移动之后其在对应局部坐标系Cn’中的坐标值相同；
步骤S6：建立结合部及施加约束：根据步骤S1中结合部节点规划，选取相应节点创建弹簧阻尼单元并赋予其相应的刚度阻尼值；约束机床地脚螺栓处的节点自由度。
优选地，在步骤S1中，对结合部节点的位置分布与数量进行规划应满足以下条件：
对于直线滚动导轨结合部：为实现结合部弹簧阻尼单元中两节点在所有位姿下的匹配，设置导轨处硬点位置步长D，即机床相应子结构在此导轨方向上的移动步长，必须可被所有相邻滑块处的硬点间距Ln整除，即满足：
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE002
；
对于滚动轴承结合部：为实现结合部弹簧阻尼单元中两节点在所有位姿下的匹配，设置内圈均布硬点数N1与外圈均布硬点数N2需满足数量关系：
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE004
，相应子结构转动分度De的计算公式为：
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE006
。本发明方案推荐的N1、N2组合与对应De如下表所示：
Figure DEST_PATH_IMAGE008
优选地，在步骤S5中，初始坐标系Cn0与对应局部坐标系Cn’为相同种类的坐标系。一般可选择的坐标系种类包括直角坐标系、柱坐标系和球坐标系。
优选地，在步骤S6中，对于直线滚动导轨结合部，通过弹簧阻尼单元设置其法向刚度阻尼与切向刚度阻尼，将移动方向的刚度阻尼设为零；对于滚动轴承结合部，通过弹簧阻尼单元设置其径向刚度阻尼与轴向刚度阻尼，将转动方向的刚度阻尼设为零。
优选地，步骤S4-步骤S6均采用编程语言实现。组装后的初始整机有限元模型经保存后可重复调用，设计人员仅需在位姿文件中输入目标位姿下机床各部件的位置及转角，即可自动化地建立任意特定目标位姿下的机床有限元模型。
本发明及其优选方案运用机床部件局部坐标变换方法，利用弹簧阻尼单元建立结合部，实现了机床工作空间中任意位姿下有限元模型的自动生成。设计人员可通过输入位姿文件的方式快速建立目标位姿下的机床有限元模型，提高了有限元建模效率，为五轴动梁龙门立式铣床工作空间全域位姿的静动态特性分析提供了高效解决方案。
附图说明
下面结合附图和具体实施方式对本发明进行进一步详细的说明：
图1是本发明实施例整体流程示意图；
图2是本发明实施例对直线滚动导轨结合部进行结合部节点规划示意图；
图3是本发明实施例对滚动轴承结合部进行结合部节点规划示意图；
图4是本发明实施例进行建模的五轴动梁龙门立式铣床结构示意图；
图5是本发明实施例弹簧阻尼单元结构示意图；
图6是通过本发明实施例方法获得的加工位姿下的五轴动梁龙门立式铣床有限元模型示意图；
图中：1-顶梁；2-动梁；3-立柱；4-工作台；5-工作台底座；6-导轨；7-摆铣头；8-滑枕；9-溜板。
具体实施方式
为让本专利的特征和优点能更明显易懂，下文特举实施例，并配合附图，作详细说明如下：
以某型五轴动梁龙门立式铣床为例说明本发明的具体实施方法：如图4所示，该型五轴动梁龙门立式铣床由顶梁1、动梁2、立柱3、工作台4、工作台底座5、导轨6、摆铣头7、滑枕8和溜板9组成，其中动梁2可参与数控进给，在加工过程中滑枕8保持伸出长度不变，可实现等刚度切削。机床中的主要结合部包括立柱3与动梁2间直线滚动导轨结合部、动梁2与溜板9间直线滚动导轨结合部、溜板9与滑枕8间直线滚动导轨结合部和摆铣头7中滚动轴承结合部。由于此型机床工作台部分与龙门部分的静动态特性互不耦合，所以本实施例仅就龙门部分进行多姿态有限元建模。
如图1所示，依据本发明的整体设计思路，本实施例整体流程具体包括以下步骤：
步骤一、结合部节点规划：对于各直线滚动导轨结合部，如图2所示，均设置导轨处硬点位置步长D为10mm，合理设置所有相邻滑块处的硬点间距Ln，保证其可被位置步长D整除；对于各滚动轴承结合部，如图3所示，均设置内圈均布硬点数N1为4、外圈均布硬点数N2为36，则相应子结构转动分度De为10°。依照规划在机床各子结构几何模型对应位置建立硬点。
步骤二、网格划分：在ANSYS APDL有限元分析软件中设置材料参数与单元类型，本实施例选用solid187单元，使用自由划分方法对机床各子结构几何模型进行网格划分，将各子结构有限元模型的节点和单元设置为组件（COMPONENT）并使用CDWRITE,DB命令将有限元模型与几何模型分离；
步骤三、组装有限元模型：将各子结构有限元模型导入同一有限元cdb文件，并连接机床中所有的固定结合部，其中螺栓连接结合部用弹簧阻尼单元MATRIX27相连接，组装为初始的待调整位姿的整机有限元模型；
步骤四、在位姿文件中输入某一加工位姿下机床各部件的位置及转角；
步骤五、调整位姿：根据步骤四中输入的位姿参数建立各部件目标位姿下的局部直角坐标系Cn’，并使用transfer命令将各部件由对应初始坐标系Cn0移动至对应局部坐标系Cn’，移动之前部件中各节点在初始坐标系Cn0中的坐标值与移动之后其在对应局部坐标系Cn’中的坐标值相同；
步骤六、建立结合部及施加约束：根据步骤一中结合部节点规划选取相应节点创建弹簧阻尼单元MATRIX27并赋予其相应的刚度阻尼值，如图5所示，其中对于直线滚动导轨结合部，设置其法向刚度阻尼与切向刚度阻尼，将移动方向的刚度阻尼设为零；对于滚动轴承结合部，在建立弹簧阻尼单元前先旋转相应节点的坐标系，使其X轴均指向径向，设置其径向刚度阻尼与轴向刚度阻尼，将转动方向的刚度阻尼设为零。最后对机床地脚螺栓处的节点自由度施加全约束，其最终建模结果如图6所示。
上述步骤中，在将机床各部件组装为初始的待调整位姿的整机有限元模型之后，其它步骤均采用ANSYS APDL编程语言实现，组装后的初始整机有限元模型保存为有限元cdb文件后可重复调用，设计人员仅需在位姿文件中输入目标位姿下机床各部件的位置及转角，即可自动化地建立任意特定目标位姿下的机床有限元模型。
本实施例选取了MATRIX27用户自定义单元建立机床结合部，也可选用其它类型的弹簧阻尼单元或杆单元。本实施例中利用了弹簧阻尼单元连接机床固定结合部，也可利用布尔操作或建立约束方程的方法进行连接。本实施例的有限元前处理及编程除采用ANSYSAPDL实现，也可采用其它具有二次开发功能的通用有限元软件实现。
本实施例提供的五轴动梁龙门立式铣床多位姿有限元建模方法，通过合理的结合部节点规划，运用机床部件局部坐标变换方法，利用弹簧阻尼单元建立结合部，实现了机床工作空间中任意位姿下有限元模型的自动生成。设计人员可通过输入位姿文件的方式快速建立目标位姿下的机床有限元模型，提高了有限元建模效率，为五轴动梁龙门立式铣床工作空间全域位姿的静动态特性分析提供了高效解决方案。
本专利不局限于上述最佳实施方式，任何人在本专利的启示下都可以得出其它各种形式的五轴动梁龙门立式铣床多位姿有限元建模方法，凡依本发明申请专利范围所做的均等变化与修饰，皆应属本专利的涵盖范围。

Claims (5)

1.一种五轴动梁龙门立式铣床多位姿有限元建模方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤S1：结合部节点规划：根据有限元模型所需位姿变化步长和结合部类型，对结合部节点的位置分布与数量进行规划，并依照规划在机床各子结构几何模型对应位置建立硬点；
步骤S2：网格划分：设置材料参数与单元类型，使用自由划分方法对机床各子结构几何模型进行网格划分，将各子结构有限元模型的节点和单元设置为组件并分离有限元模型与几何模型；
步骤S3：组装有限元模型：将各子结构有限元模型导入同一有限元文件，并连接机床中所有的固定结合部，组装为初始的待调整位姿的整机有限元模型；
步骤S4：在位姿文件中输入目标位姿下机床各部件的位置及转角；
步骤S5：调整位姿：根据步骤S4中输入的位姿参数建立各部件目标位姿下的局部坐标系Cn’，并将各部件由对应初始坐标系Cn0移动至对应局部坐标系Cn’，移动之前部件中各节点在初始坐标系Cn0中的坐标值与移动之后其在对应局部坐标系Cn’中的坐标值相同；
步骤S6：建立结合部及施加约束：根据步骤S1中结合部节点规划，选取相应节点创建弹簧阻尼单元并赋予其相应的刚度阻尼值；约束机床地脚螺栓处的节点自由度。
2.根据权利要求1所述的五轴动梁龙门立式铣床多位姿有限元建模方法，其特征在于：在步骤S1中，对结合部节点的位置分布与数量进行规划应满足以下条件：
对于直线滚动导轨结合部：设置导轨处硬点位置步长D，必须可被所有相邻滑块处的硬点间距Ln整除，即满足：；
对于滚动轴承结合部：设置内圈均布硬点数N1与外圈均布硬点数N2需满足数量关系：
Figure DEST_PATH_IMAGE004
，相应子结构转动分度De的计算公式为：
Figure DEST_PATH_IMAGE006
。
3.根据权利要求1所述的五轴动梁龙门立式铣床多位姿有限元建模方法，其特征在于：在步骤S5中，初始坐标系Cn0与对应局部坐标系Cn’为相同种类的坐标系。
4.根据权利要求1所述的五轴动梁龙门立式铣床多位姿有限元建模方法，其特征在于：在步骤S6中，对于直线滚动导轨结合部，通过弹簧阻尼单元设置其法向刚度阻尼与切向刚度阻尼，将移动方向的刚度阻尼设为零；对于滚动轴承结合部，通过弹簧阻尼单元设置其径向刚度阻尼与轴向刚度阻尼，将转动方向的刚度阻尼设为零。
5.根据权利要求1所述的五轴动梁龙门立式铣床多位姿有限元建模方法，其特征在于：步骤S4-步骤S6均采用编程语言实现。
CN201910908032.4A 2019-09-25 2019-09-25 五轴动梁龙门立式铣床多位姿有限元建模方法 Active CN110674601B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201910908032.4A CN110674601B (zh) 2019-09-25 2019-09-25 五轴动梁龙门立式铣床多位姿有限元建模方法

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201910908032.4A CN110674601B (zh) 2019-09-25 2019-09-25 五轴动梁龙门立式铣床多位姿有限元建模方法

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN110674601A true CN110674601A (zh) 2020-01-10
CN110674601B CN110674601B (zh) 2022-10-14

Family

ID=69078708

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201910908032.4A Active CN110674601B (zh) 2019-09-25 2019-09-25 五轴动梁龙门立式铣床多位姿有限元建模方法

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN110674601B (zh)

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN111581745A (zh) * 2020-05-09 2020-08-25 福州大学 基于mpc的五轴动梁龙门立式铣床多位姿有限元建模方法
CN112052514A (zh) * 2020-07-31 2020-12-08 东风延锋汽车饰件系统有限公司 汽车内饰结构的性能分析方法及系统

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN102393679A (zh) * 2011-10-14 2012-03-28 华中科技大学 一种多轴加工系统的相对动刚度获取方法及其应用
CN103722390A (zh) * 2013-12-31 2014-04-16 扬州格外机器人有限公司 立式五轴联动机床
CN104050317A (zh) * 2014-06-10 2014-09-17 华中科技大学 一种机床动态精度的获取方法
US20160221189A1 (en) * 2013-08-27 2016-08-04 Cognibotics Ab Method and system for determination of at least one property of a manipulator

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN102393679A (zh) * 2011-10-14 2012-03-28 华中科技大学 一种多轴加工系统的相对动刚度获取方法及其应用
US20160221189A1 (en) * 2013-08-27 2016-08-04 Cognibotics Ab Method and system for determination of at least one property of a manipulator
CN103722390A (zh) * 2013-12-31 2014-04-16 扬州格外机器人有限公司 立式五轴联动机床
CN104050317A (zh) * 2014-06-10 2014-09-17 华中科技大学 一种机床动态精度的获取方法

Non-Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
C.BRECHER ET AL: "Axis Position Dependent Dynamics of Multi-axis Milling Machines", 《PROCEDIA CIRP》, vol. 31, 3 June 2015 (2015-06-03) *
王世军: "混联机床中并联机构的动力学特性分析方法的研究", 《中国优秀博硕士学位论文全文数据库(电子期刊) 工程科技Ⅰ辑》, 15 February 2005 (2005-02-15) *
赵春蕾: "发动机装配误差分析及性能预测的技术研究", 《中国优秀博硕士学位论文全文数据库(电子期刊) 工程科技Ⅱ辑》, 15 August 2017 (2017-08-15) *

Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN111581745A (zh) * 2020-05-09 2020-08-25 福州大学 基于mpc的五轴动梁龙门立式铣床多位姿有限元建模方法
CN111581745B (zh) * 2020-05-09 2023-03-28 福州大学 基于mpc的五轴动梁龙门立式铣床多位姿有限元建模方法
CN112052514A (zh) * 2020-07-31 2020-12-08 东风延锋汽车饰件系统有限公司 汽车内饰结构的性能分析方法及系统
CN112052514B (zh) * 2020-07-31 2023-10-13 东风延锋汽车饰件系统有限公司 汽车内饰结构的性能分析方法及系统

Also Published As

Publication number Publication date
CN110674601B (zh) 2022-10-14

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Altintas et al. Virtual compensation of deflection errors in ball end milling of flexible blades
Bohez Five-axis milling machine tool kinematic chain design and analysis
Loose et al. Kinematic analysis of dimensional variation propagation for multistage machining processes with general fixture layouts
CN112558547B (zh) 一种五轴数控机床平动轴几何误差补偿数据快速优化方法
CN110674601B (zh) 五轴动梁龙门立式铣床多位姿有限元建模方法
Li et al. Trajectory Tracking Control of Parallel Manipulator Based on Udwadia‐Kalaba Approach
CN105243218A (zh) 机床热误差精度转化和模型建立方法
Suh et al. Multiaxis machining with additional-axis NC system: theory and development
Zhang et al. Kinematic chain optimization design based on deformation sensitivity analysis of a five-axis machine tool
Qi et al. Accurate clamping method of multipoint flexible fixture for large complex surface
KR101729589B1 (ko) 기계장비 구조해석방법
Shinde et al. 5-axis virtual machine tool centre building in PLM environment
CN111581745B (zh) 基于mpc的五轴动梁龙门立式铣床多位姿有限元建模方法
Zou et al. An off‐line programming system for flexible drilling of aircraft wing structures
Fuwen Location issues of thin shell parts in the reconfigurable fixture for trimming operation
Liu et al. Global optimization of functional redundancy in a 6R robot for smoothing five-axis milling operations
Ta et al. A multidisciplinary approach for optimization design of CNC machine tools
Chen et al. Contouring control for multi‐axis motion systems with holonomic constraints: Theory and application to a parallel system
Chen et al. Post-processor development for a six degree-of-freedom parallel-link machine tool
CN109521729B (zh) 一种三轴数控机床可补偿及不可补偿几何误差分离方法
Kamenev Method for automated building of spindle thermal model with use of CAE system
Lu et al. A novel method to minimize the five-axis CNC machining error around singular points based on closed-loop inverse kinematics
Krol et al. Optimization of Processing Modes on Multioperational Machines Using Two-parameter D-Partitions
Mazare et al. Contouring control of a 3-[P2 (US)] parallel manipulator
Mei et al. Elastodynamic-model-based stiffness analysis of a 6-RSS PKM

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant