[发明专利]一种机床模块式刚度表征与求解方法

说明书

技术领域

本发明涉及机床技术领域，具体涉及一种机床模块式刚度表征与求解方法。 

背景技术

机床作为非常重要的基础制造装备，它是制造机器的机器，所以又称为“工作母机”。机床的设计和制造水平直接影响到一个国家制造业的产品质量和生产效率，尤其是高档数控机床的设计和制造水平更成为衡量一个国家工业化水平和综合国力的重要标志。 

机床静刚度是表征机床性能的重要指标之一，它是指机床在不随时间变化或变化极为缓慢的载荷（即静载荷）作用下抵抗变形的能力。机床的运动部件和工件的重量变化以及重力分布情况的改变所引起的机床变形、在外部静载荷作用下发生的变形不仅会影响到零部件的几何精度，进而影响加工质量；还会影响机床整体的生产率、发热、磨损、抗振性、噪声、工作寿命和运动平衡性等。 

对机床的静刚度特性进行研究、发现刚度薄弱环节，对机床的设计和改进有着较为重要的实际意义。但是传统的机床刚度分析方法通常是将机床的各向刚度分开研究，并且把机床的子结构与整体刚度之间的关系看成单纯的加减关系。这并不能全面反映机床的刚度情况，因为机床的子结构大都具有包括转动自由度在内的多个自由度，相互之间变形叠加关系较为复杂，很难用传统的方法将机床的刚度情况完 整的反映出来。 

发明内容

为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种机床模块式刚度表征与求解方法，更加全面的将机床及其子系统模块的刚度特性反映出来，提高了分析效率。 

为实现本发明的目的，本发明采取的技术方案为： 

一种机床模块式刚度表征与求解方法，包括以下步骤： 

步骤一：将机床按照几何结构划分成两个以上的子系统模块，每个子系统模块由两个以上的零部件组合而成； 

步骤二：确定载荷在各子系统模块中的传递方向，选取刀具切削工件的位置为载荷的起点，机床的安装位置，即地面为载荷的终点，并经过刀具一侧和工件一侧分别由起点传递到终点； 

步骤三：对各子系统模块的承载位置和约束位置进行辨识，其中：承载位置是指子系统模块中靠近步骤二中定义的载荷起点的一端、与上一子系统模块相连接的位置；承载位置会承受上一子系统模块传递来的载荷，承载位置方向和位置的变化会引起与之相连的上一子系统模块方向和位置的变化； 

约束位置是指子系统模块中靠近步骤二中定义的载荷终点的一端、与下一子系统模块相连接的位置；子系统模块的约束位置会限制承载子系统模块的自由度，并且约束位置的约束反力的反作用力即为该子系统模块传递给下一子系统结构的载荷； 

机床各子系统模块间的典型结合方式分为固定结合与移动结合， 其中，移动结合又分导轨-滑块结合、丝杠-螺母结合，并且这两种移动结合都是一同出现在两个可发生相对移动的子系统模块之间的； 

若承载位置通过固定结合来联接其他子系统模块，直接选取结合面的方向和位置来表征承载位置的方位；若承载位置通过导轨-滑块结合联接其他子系统模块，选取各导轨-滑块法相结合平面的中心点所确定的平面的方向和位置来表征承载位置的方位；若承载位置通过丝杠-螺母结合来联接其他子系统模块，因丝杠主要承受轴向载荷，只需考虑其轴向的载荷及位移量，而该位移又会使相应的导轨-滑块结合处发生同样大小的沿丝杠轴向的相对位置变化，所以同样选取各导轨-滑块法相结合平面的中心点所确定的平面的方向和位置来表征这类承载位置的方位； 

若约束位置通过固定结合来联接其他子系统模块，则该处的约束为全约束；若约束位置通过导轨-滑块结合联接其他子系统模块，则该处的约束只保留导轨方向的平动自由度；若约束位置通过丝杠-螺母结合来联接其他子系统模块，则该处的约束为丝杠轴向的位移约束； 

步骤四：对每一个子系统模块，构建可表征其刚度特性的柔度矩阵C，根据刚度矩阵的定义，刚度矩阵K与该子系统模块的柔度矩阵C互为逆矩阵，即K=[C]^-1；子系统模块的柔度矩阵C表征该子系统模块承载位置的位移量与其承受的载荷之间的关系，该矩阵的具体维数与载荷作用位置的数目n有关，即柔度矩阵C的维数为6×6n，当n=1时具体表达式为：