精密机床的质量匹配设计方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及精密机床结构设计领域的支撑大件质量规划技术，特别是涉及一种基 于集中参数动力学模型和循环迭代算法的精密机床质量匹配设计方法。
【背景技术】
[0002] 机床的动态性能对机床加工精度及加工效率有着重要影响，传统的机床设计只能 依据以往经验规划支撑大件质量，设计盲目，不利于保证机床动态性能。
[0003] 目前，对于精密机床支撑大件质量设计仍局限于单件寻优法。其实质是设计者依 据设计经验，反复修改单一大件质量，安排有限个参数进行数值模拟分析计算，从这有限个 参数中选择性能最好的。这种方法难以保证所选择的参数最优且难以做到所有支撑大件组 合寻优，同时挑选参数和进行数值模拟分析计算需要耗用大量时间，不能满足现代机床设 计生产要求。
【发明内容】
[0004] 为了克服现有技术存在的问题，本发明提出了一种精密机床的质量匹配设计方 法，基于利用集中参数法建立的机床结构动力学模型，并运用循环迭代算法进行大件质量 关系匹配设计，实现精密机床设计；便于在机床方案设计阶段根据实际需求合理规划支撑 大件质量，不仅可以提高机床加工精度及加工效率，还可以进行产品性能预估，寻找影响机 床动态性能薄弱环节，减少生产制造成本，本发明旨在解决设计效率和设计精度低等问题。
[0005] 本发明通过如下技术方案予以实现。
[0006] 本发明提出了一种精密机床的质量匹配设计方法，该方法包括以下步骤：
[0007] 步骤一、确定待分析精密机床设计参数，包括支撑大件各外形尺寸、机床加工空 间、机床X、Y、Z三向行程及结合面参数；
[0008] 步骤二、根据待分析精密机床仿真激振实验所获得的各支撑大件振动位移特点， 确定待分析精密机床全部21个自由度；
[0009] 步骤三、利用集中参数法，将支撑大件的结构质量分散在有限个适当点上的集中 质量来置换，结构的弹性用没有质量的当量弹性梁来置换，结构的阻尼假设为迟滞性的结 构阻尼，结合部简化为集中的等效弹性元件和阻尼元件，从而建立所述机床动力学模型；
[0010] 步骤四、利用多自由度系统无阻尼自由振动运动方程，确定所述机床首阶固有频 率与各支撑大件质量函数关系；
[0011]
【主权项】
1. 一种精密机床的质量匹配设计方法，该方法包括以下步骤： 步骤一、确定待分析精密机床设计参数，包括支撑大件各外形尺寸、机床加工空间、机 床X、Y、Z三向行程及结合面参数； 步骤二、根据待分析精密机床仿真激振实验所获得的各支撑大件振动位移特点，确定 待分析精密机床全部21个自由度； 步骤三、利用集中参数法，将支撑大件的结构质量分散在有限个适当点上的集中质量 来置换，结构的弹性用没有质量的当量弹性梁来置换，结构的阻尼假设为迟滞性的结构阻 尼，结合部简化为集中的等效弹性元件和阻尼元件，从而建立所述机床动力学模型； 步骤四、利用多自由度系统无阻尼自由振动运动方程，确定所述机床首阶固有频率与 各支撑大件质量函数关系；
式中：M为机床系统的质量矩阵；K为机床系统的刚度矩阵；q、^分别为机床的位移和 加速度； 步骤五、建立机床方案设计模型并进行有限元分析，验证所述机床动力学模型的可靠 性；以及 步骤六、运用循环迭代算法提取对所述待分析精密机床首阶固有频率最优的各支撑大 件质量最优匹配关系。
2. 根据权利要求1所述的精密机床的质量匹配设计方法，其特征在于，该方法还包括 以下步骤： 依据所述大件最优质量匹配关系建立机床方案设计模型并对其进行有限元分析，验证 所述质量匹配设计方法的可靠性。
3. 根据权利要求1所述的精密机床的质量匹配设计方法，其特征在于，所述步骤五的 建立机床方案设计模型并进行有限元分析，验证所述机床动力学模型的可靠性，还包括以 下处理： 利用三维建模软件Pro/E，依据机床各大件外形尺寸建立内部筋板均匀布置，忽略窗孔 等复杂内部信息的机床方案设计模型。利用有限元分析软件SAMCEF对所述机床方案设计 模型进行模态分析，并调整支撑大件质量观察机床首阶固有频率变化规律。将所述机床首 阶固有频率与大件质量的函数关系与机床方案设计模型调整大件质量机床首阶固有频率 变化规律进行对比，若两者结果相符，则输出结果进行质量匹配设计。否则，重新进行机床 动力学建模及提取机床首阶固有频率与大件质量的函数关系，直到满足要求为止。
4. 根据权利要求1所述的精密机床的质量匹配设计方法，其特征在于，所述匹配设计 采用循环迭代算法寻优。根据实际需求设定机床支撑大件质量极限范围，再应用循环迭代 算法以机床首阶固有频率为目标对所述支撑大件质量关系进行匹配寻优。
【专利摘要】本发明公开了一种精密机床的质量匹配设计方法，包括：步骤一、确定待分析精密机床设计参数；步骤二、确定待分析精密机床全部自由度；步骤三、利用集中参数法建立所述机床动力学模型；步骤四、利用多自由度系统无阻尼自由振动运动方程，确定所述机床首阶固有频率与各支撑大件质量函数关系；步骤五、建立机床方案设计模型并进行有限元分析，验证所述机床动力学模型的可靠性；步骤六、运用循环迭代算法提取对所述机床首阶固有频率最优的各支撑大件质量关系。本发明能够提高机床加工精度和精度保持性能；提高机床设计效率及实现产品方案设计阶段产品性能预估，减少机床设计盲目性，解决了现有机床设计过程中效率低、难以保证设计最优等问题。
【IPC分类】G06F17-50, G06F19-00
【公开号】CN104573201
【申请号】CN201410816848
【发明人】牛文铁
【申请人】天津大学
【公开日】2015年4月29日
【申请日】2014年12月23日