[发明专利]一种数控机床整机动态性能优化方法

说明书

技术领域

本发明涉及数控机床整机动态性能优化设计技术领域，特别涉及基于数控机床结合部动力学特性的整机有限元建模和动态性能优化方法。

背景技术

随着先进制造行业的不断发展，现代机床制造业除了要求机床重量轻、成本低，使用方便外，还要求机床具有愈来愈高的加工性能。一般来说，加工性能主要包括机床的加工质量和切削效率两个重要方面。通常用被加工零件所能达到的最高精确度和表面光洁度来评定机床的加工质量，用金属切除率或切削用量的最大极限值来评定机床的切削效率。机床的动态性能主要是指机床抵抗振动的能力，包括抗振性和稳定性，与机床的加工性能与机床动态性能密切相关，因此研究机床结构的动态性能对于发展高性能数控机床具有重要意义。

随着计算机软硬件技术的发展和应用水平的提升，进行大型结构的计算机性仿真已经成为可能。在图纸设计阶段，运用仿真技术就能通过定量的分析计算，预测机床的静态、动态特性，从而能对及时发现的结构薄弱环节进行必要有效的修改，大幅度提高了机床产品的设计质量，缩短了机床产品结构定型周期。

机床是由许多零部件按特定的要求结合起来的，其结合面的阻尼、刚度分别占整机阻尼和刚度的90％和60％以上，因此为准确地对立式加工中心进行整机动态性能分析，必须基于结合部动力学参数建立准确的整机动力学模型。日本、德国、比利时、英国等国家的很多学者都加入了机床动态性能研究，研究的结论表明：采用理论法分析机床动态性能时，动力学模型对分析结果影响非常大，且机床结合部特性融入整机模型中的处理方法不同，也会影响计算结果。目前，国内外机床结合部的研究主要为结合部的动力学建模、参数辨识以及结合部对机床动态特性的影响。

S.V.Modak采用有限元方法，建立钻床的有限元模型。首先将结合面建立为弹簧单元，其次把机床刀头考虑成为集中质量单元，然后将基于模态试验的测得值更新有限元模型中的弹簧单元参数，从而得到了比较准确的有限元理论模型。日本学者吉村允孝利用积分法将结合面动态基础特性参数运用到双柱立式车床的动态分析中，由于考虑了结合面的影响，计算得到的机床固有频率和机床颤振频率与试验结果非常吻合。

国内研究中，周德康建立包括结合面动力学模型在内的整机机床有限元模型。在M2120A原机床动态测试的基础上，用优化参数的方法来识别结合面刚度和阻尼参数，并对机床主要单个部件进行结构动态优化设计，利用原机床结合面动力学模型，建立比较符合实际情况的M2120A新机床整机有限元模型，并进行了整机多方案比较优化设计。张广鹏等应用均质梁、集中质量及结合部单元对机床进行整机动态建模，基于结合面的动态基础特性参数，应用子结构建立了整机系统的动力学方程，对整机动态性能进行了预测。蒋书运等建立带滚珠丝杠副的直线导轨结合部的动力学模型，分析含结合部动态参数的加工中心整机动态特性。

在机床动态性能优化方面，孙明楠等提出一种基于模态柔度的机床结合部动态刚度正交优化方法，识别了各结合部对机床动态性能的影响程度，并确定了一组结合部动刚度的最优解。王禹林等应用吉村允孝法确定结合部参数，采用弹簧阻尼单元模拟结合面接触特性，基于结合面对大型螺纹磨床整机进行静动态特性优化，结合面参数优化后机床的振动得到了很好的抑制。

综观当前国内外研究进展与成果可知，在数控机床整机动态性能优化设计领域仍存在着以下明显的问题及亟待解决的技术难点：(1)机床整机动力学建模时没有考虑机床中全部结合部特性的影响，通常只是融入了固定结合部、丝杠螺母结合部、轴承结合部及导轨结合部中的一种或几种，因此很难获得精度很高的机床动力学模型，而且建立机床动力学模型的方法缺乏通用性。(2)将整机有限元分析结果与试验结果比对时，通常只是从机床的固有频率是否一致来判断整机建模的正确性，这样还不足以确定建立的整机动力学模型是否正确。(3)结合部动力学特性比较复杂，在整机动态性能优化中针对机床结合部参数的研究方法相对较少。

发明内容

针对上述数控机床整机动态性能优化的技术现状及存在的难点，本发明的目的在于提出一种基于机床结合部动力学参数的数控机床整机动态性能优化方法，以实现对数控机床整机动态性能的有限元分析与优化，进一步提高数控机床的加工性能。