[发明专利]一种分块建模和实验参数辨识的摆角铣头整机建模方法

说明书

本发明公开了属于建模技术领域的一种分块建模和实验参数辨识的摆角铣头整机建模方法。所述方法依据摆头的结构和结合面分布，确定模块划分，模块之间以结合面、轴承等非固结连接结构为分界，建立等效的动力学模型，求解动力学方程。然后，根据划分的模块对机床进行拆分，分别对这些模块进行激励实验，采集频响函数，建立对应模块的有限元模型，通过优化算法搜索到能使频响函数的理论值与实测值误差最小的结合面参数，将搜索到的结合面参数附加到各模块的有限元模型中。最后将各模块的有限元模型整合成摆头整机的模型，求解末端频响函数，并与实测频响函数对照，验证模型的可靠性与该建模方法的可行性。

技术领域

本发明属于建模技术领域，尤其涉及一种分块建模和实验参数辨识的摆角铣头整机建模方法。

背景技术

摆角铣头(简称：摆头)是多轴联动数控机床上的核心部件，摆角铣头内部结构复杂、载荷条件多样，还有多个运动位姿，给研究和设计工作带来了很大的难度，但由于摆角铣头的精度基本上直接决定了加工的精度，因此也是一个难以避过的研究重点。有效、准确的机床的整机建模对机床的特性研究、结构优化有重大的意义，但是由于机床结构复杂、结合面众多，因此机床的整机建模也存在着建模工作量大、参数多、结果难以验证的困难。

有限元法是当下研究结构动静态特性最有效、最简便的方法，近些年我国有大量关于有限元建模的研究，针对机床动态特性的基础性研究主要集中于以下几个方面：关键部件的动态特性分析(例如机床的刀具尖点)、结构大件的有限元分析(机床横梁、主轴箱)、结合面动态特性与动态参数获取(立柱-主轴结合面)、伺服进给单元动态特性分析等。

关于有限元整机建模方向，总的来说仍存在三方面的问题：(1)基础研究还不充分：国外对建模的研究是建立在大量的相关实验上的，关于重要参数的设置如轴承刚度、结合面刚度等都是有大量数据支撑的，而国内的研究则是单纯依靠经验的或者直接使用厂商提供参数，没能进行准确的辨识。(2)模型的准确程度较低：为了减小仿真的运算量、节约计算机的机能，有限元仿真必须通过一些简化方法(结合面固接、轴承简化、机构简化)来简化模型，但是这些方法多是过于理想的，对模型会产生怎样的影响难以考证，最后仿真的结果也缺少实验的验证。 (3)对动态特性的研究不足，由于有限元软件功能的限制和建模理论方法的不足，因此对机床动态特性的建模研究还停留在一个比较浅显的阶段，机床在运动状况下的边界条件的设定没有一个令人信服的量化的标准。因此，从有限元建模研究转向实际的指导设计优化还存在比较大的距离。

发明内容

为了解决上述问题，本发明提出了一种分块建模和实验参数辨识的摆角铣头整机建模方法，包括：

1)将摆角铣头整机进行模块划分，并分别建立有限元模型；

2)根据划分的模块对摆角铣头进行拆分，分别对拆分的模块进行激励实验，得到频响函数；

3)根据实验参数拟合得到各模块有限元模型，整合成摆角铣头整机的模型。

所述实验参数包括通过优化算法搜索得到频响函数的理论值与实测值误差最小时的结合面参数，将其附加到各模块的有限元模型中。

所述模块划分的依据是以非固结连接结构为分界；所述非固结连接结构包括结构间结合面、轴承。

所述模块包括与固定平面固接的不发生转动的部分、跟随摆动轴转动但是不跟随电主轴转动的部分、跟随电主轴转动的部分。

所述与固定平面固接的不发生转动的部分包括摆头外壳、摆动轴电机定子；所述跟随摆动轴转动但是不跟随电主轴转动的部分包括摆动轴电机转子、电主轴外壳、电主轴电子定子；所述跟随电主轴转动的部分电主轴电机转子、电主轴轴体、刀具、刀柄。

所述步骤3)整合过程具体为：依据拟合得到的参数，建立不同位姿的摆角铣头整机模型，分别与进行激励实验，得到频响函数对照以验证模型。

本发明的有益效果在于：