[发明专利]基于机电耦合特性的并联机床结构优化参数值的获取方法

说明书

技术领域

本发明属于机床制造领域，尤其涉及于机电耦合特性的并联机床优化设计方法。

背景技术

在过去的近二十年里，并联机构由于具有高刚度、高承载能力、低运动惯量等优点在工业界得到越来越广泛的应用，尤其是在机床领域得到了广泛关注。然而，目前只有Z3主轴头以及Tricept并联机床等取得了瞩目的成功，这与人们对并联机床的期望值相距甚远。虽然造成这一现状的原因众多，但是并联机床理论上固有的高速、高加速度等动态特性在实际应用中没有体现出来是限制并联机床广泛应用的一个重要原因。

因此，研究人员分别采用结构动力学及弹性动力学方法研究并联机床动态特性。然而，无论利用结构动力学还是弹性动力学研究并联机床的动态特性，都主要是针对机械系统。机械系统与伺服系统的特性研究往往是分开孤立研究。如孤立的研究机械系统本身的动态特性，偏重静态的定位精度，对伺服驱动系统的研究，只重视控制系统本身的特性，对数控加工刀位轨迹的规划也只考虑几何学问题。这种研究方法对于常速和常规精度是适用的，但是难以满足数控机床的高速高精度要求。并联机床的运动特性和动态特性不仅与机床本身的结构参数有关，而且与伺服电机的电磁参数、特性参数以及动态性能有关。作为驱动单元的电机本身就是一个复杂的动力系统，电机的输出是非线性的变速运动，电机输出运动的变化会影响机构动态性能，而机构运动参数的改变也会影响电机自身的运行状态，这种交互影响使电机与其拖动的机构之间产生耦合振动问题。因此，并联机床动态性能与机电耦合特性直接相关。

为了实现高动态特性,必须最终将机电耦合动态特性应用于并联机床优化设计中。然而，纵观并联机床优化设计中流行的性能评价指标，不难发现，这些研究多从运动学（以速度为主）角度出发，以雅可比矩阵或者其衍生矩阵为特征参数，定义性能度量指标。速度是衡量位移变化率的特征量，只能说明物体的运动状态而不是其它。并联机床是一个典型的复杂机电系统，系统性能不仅依赖机械系统设计，同时和控制系统性能息息相关。现有的并联机床优化设计方法完全孤立的设计其机械系统和电气控制系统，不考虑机电耦合效应，从而很难设计出性能优异的并联机床。

发明内容

本发明的目的是为克服已有技术的不足之处，提出一种基于机电耦合特性的并联机床结构优化参数值的获取方法，把机械系统性能和控制系统性能一起纳入设计中，有效提高了整体设计的效率，节约了设计成本，同时可以提高机床的运动控制精度。

本发明的基于机电耦合特性的并联机床结构优化参数值的获取方法采用如下步骤：

（1）根据机床结构以及雅可比矩阵选定杆长l和连杆横截面积s作为优化参数；

（2）将平均条件数和平均刚度作为机床的运动学性能指标,根据平均条件数和平均刚度分别与杆长l和连杆横截面积s的相互影响关系，分别画出相互影响曲线图,得到最小的平均条件数和最大的平均刚度值；

（3）将一阶固有频率作为动态性能指标，根据一阶固有频率与杆长l和连杆横截面积s的相互影响关系，画出相互影响曲线图，得到最大的一阶固有频率；

（4）根据机床结构和机床的控制系统模型，建立机床机电耦合控制模型；

（5）基于机电耦合模型，将工件轮廓误差作为机床加工性能指标，根据该指标与杆长l和连杆横截面积s的相互影响关系，画出相互影响曲线图，得到最小轮廓误差；

（6）根据机床的性能要求对平均条件数、平均刚度、一阶固有频率最大值和最小轮廓误差加权，得到杆长l和连杆横截面积s的最优取值范围；

（7）从最优取值范围中选择一组杆长l和连杆横截面积s值，根据这些参数对机床性能校核，若满足机床的性能要求，则该组杆长l和连杆横截面积s值作为优化值，否则重复步骤(6）直到满足机床的性能要求。

本发明提供一种在并联机床的初始设计阶段，基于机电耦合特性的结构优化参数值的获取方法，其特点和有益效果是：

1.与现有的并联机床优化设计方法相比，在设计的初始阶段，把控制系统性能对于并联机床系统性能的影响考虑进去，将机械系统性能和控制系统性能同时考虑，有效提高了整体设计的效率，节约了设计成本。

2.在并联机床的初始设计阶段，就可以准确的仿真出机床的运动控制性能。

3.本方法可以应用在关于机构参数的计算机辅助设计软件开发中。

附图说明

图1为本发明的基于机电耦合特性的并联机床结构优化参数值的获取方法流程框图。

图2为本实施例中平均条件数与杆长和连杆横截面积相互影响曲线图。