[发明专利]一种数控机床整机动态性能优化方法

权利要求书

1.一种数控机床整机动态性能优化方法，其特征包括：

（1）结合部特性等效：将数控机床结合部接触特性等效为弹簧-阻尼系统；

（2）螺栓结合部动力学参数辨识：提出了一种基于不完备频率响应函数的结合部动力学参数辨识方法，基于子结构思想建立螺栓结合部的动力学模型，并推导出辨识结合部动力学参数以及构造完备频率响应函数的基本辨识公式；

（3）导轨滑块结合部动力学参数辨识：提出了一种基于试验研究和仿真研究的直线导轨结合部动力学参数优化辨识方法，建立以结合部动力学参数为设计变量，有限元分析与模态试验获取的各阶固有频率及阻尼比误差为优化目标的数学模型；

（4）滚珠丝杠结合部动力学参数辨识：查阅产品手册获取滚珠丝杠结合部轴向刚度；

（5）轴承结合部参数辨识：查阅产品手册获取轴承结合部轴向刚度及径向刚度；

（6）整机动力学建模：采用有限元分析软件，结合机床零部件有限元模型与步骤（2）、（3）、（4）、（5）中获取的各结合部动力学参数值（等效刚度和阻尼系数），建立数控机床整机有限元模型；

（7）整机动态性能分析：对步骤(6)所建立的机床整机有限元模型进行模态分析和谐响应分析，获取整机固有频率、模态振型以及主轴轴端频率响应函数；

（8）整机有限元模型验证：采用锤击法模态试验获取整机固有频率和主轴轴端频率响应函数，通过对比实验值和步骤（7）获取的仿真值来验证整机有限元模型的准确性；

（9）整机动态性能优化方法：以主轴轴端的频率响应函数作为评价立式加工中心动态性能的重要指标，提出面向立式加工中心各典型结合部动刚度的优化配置方法，结合模态柔度理论与能量分布理论确定薄弱模态与薄弱结合部，建立以主轴轴端薄弱模态下薄弱结合部的动刚度为设计变量，薄弱模态的模态柔度为优化目标的多目标优化模型。

2.根据权利要求1所述的数控机床整机动态性能优化方法，其特征在于所述的螺栓结合部动力学参数辨识采用设计的梁-梁螺栓装配体试验结构等效机床中无法直接进行动态试验的螺栓结合部，针对等效结构展开结合部参数辨识研究，根据等效结构与机床待辨识螺栓结合部动力学参数关系，计算得到机床待辨识螺栓结合部动力学参数。

3.根据权利要求1所述的数控机床整机动态性能优化方法，其特征在于所述的导轨滑块结合部动力学参数辨识采用数值分析软件编写优化控制程序实现与有限元软件的交互运算。

4.根据权利要求1所述的数控机床整机动态性能优化方法，其特征在于所述整机动态性能优化方法包括：

（1）假设机床结构的阻尼为比例阻尼，根据振动的模态理论确定机床结构的薄弱模态，以减小各阶薄弱模态的模态柔度(f_ab)_r作为优化目标；

（2）根据弹性能分布理论计算薄弱模态下各结合部的弹性能分布率，以弹性能分布率较高的结合部刚度k_i作为设计变量；

（3）结合步骤（1）和步骤（2）建立多目标优化模型：

其中A_a^(r)、A_b^(r)分别为机床以第r阶固有频率振动时a、b两点间的相对振幅；K_r为第r阶模态的模态刚度；

（4）采用正交试验设计方法规划试验方案，确定试验因素与水平，根据试验结果获取优水平、优组合以及各因素影响主次；

（5）将各结合部刚度的最优组合写入有限元模型中进行模态分析，比较优化前后薄弱阶模态柔度。

5.根据权利要求4所述的数控机床整机动态性能优化方法，其特征在于采用模态理论与弹性能分布理论，能有效确定机床结构的薄弱模态和薄弱结合部，明确结构优化方向。