[发明专利]一种机床整机动力学性能全域快速预估方法

说明书

本发明公开了一种机床整机动力学性能全域快速预估方法：首先，将机床整机结构分为部件和结合部两大类，采用动态凝聚方法，建立部件半解析动力学模型；其次，选取结合部的约束方式，构造结合部的变形协调方程；之后，建立整机半解析动力学模型；最后，根据所建立的整机半解析动力学模型，对机床整机动力学性能在工作空间内的分布进行预估。本发明能够在初始设计、优化分析以及结构修改阶段快速计算机床整机在全域工作空间内的动力学性能，提高了设计效率和准确性，降低生产制造成本。

技术领域

本发明涉及机床领域，特别涉及一种机床整机动力学性能全域快速预估方法，可有效解决整机动力学建模及全域性能预估的难题。

背景技术

动态特性是影响机床切削性能的一个关键因素，尤其是对于多轴联动数控加工中心，其动态特性会随位形的变化而产生较大差异。与借助传统商用软件建立的有限元模型相比，在初始设计、优化分析以及结构修改阶段建立用尽量少的自由度数目便可在全域内准确快速评估机床系统低阶动态特性的半解析模型是提高分析和计算效率的重要途径。为此，采用最少广义自由度数目建立可快速准确描述系统低阶动态特性的半解析模型，构建可反映系统局部与全域静动态特性的性能指标均是有待研究的问题。

发明内容

本发明针对传统的动力学建模以及设计过程中完全依赖全有限元软件的技术问题，提供一种机床整机动力学性能全域快速预估方法。考虑到整机动力学性能实质上是各部件以及结合部刚度及质量矩阵的综合反映，因此本发明采用“自底向上”的思路建立机床整机动力学模型。

本发明所采用的技术方案是：一种机床整机动力学性能全域快速预估方法，包括以下步骤：

步骤1，将机床整机结构分为部件和结合部两大类，采用动态凝聚方法，建立部件半解析动力学模型；

步骤2，选取结合部的约束方式，构造结合部的变形协调方程；

步骤3，建立整机半解析动力学模型；

步骤4，根据步骤3所建立的整机半解析动力学模型，对机床整机动力学性能在工作空间内的分布进行预估。

进一步地，步骤1中，所述的部件包括床身、立柱、溜板、主轴箱、主轴、工作台和转台；所述的结合部包括移动结合部、转动结合部和固定结合部。

进一步地，步骤1中，所述的采用静态凝聚方法，建立部件半解析动力学模型，包括：

以刀具链及工件链中的单个弹性部件为对象，将弹性部件抽象为子结构，记为编号i，并将弹性部件上的结合部编号分别记为i及i+1，子结构i与子结构j之间通过结合部i+1连接；基于解析法和有限元法相结合的思想，采用动态凝聚方法，建立子结构半解析动力学模型，即，部件半解析动力学模型如下：

式中，u⁽ⁱ⁾表示子结构i经有限元网格划分以及动态凝聚后的节点位移向量，f⁽ⁱ⁾表示子结构i经有限元网格划分以及动态凝聚后的节点力向量；表示子结构i动态凝聚后外部节点位移向量，表示子结构i动态凝聚后内部模态向量；m⁽ⁱ⁾表示子结构i动态凝聚后的质量矩阵，k⁽ⁱ⁾表示子结构i动态凝聚后的刚度矩阵，m⁽ⁱ⁾和k⁽ⁱ⁾的维数取决于子结构有限元网格划分后结合部所包含有限元节点的数目以及选取的内部模态阶数。

进一步地，步骤2中，所述结合部的约束方式为刚性多点约束，则，所述的构造结合部的变形协调方程包括以下步骤：

以子结构i为对象，将子结构的结合部所在平面假设为局部刚性面，在结合部等效中心处创建一六自由度“虚节点”，记为则结合部i+1上任意有限元节点的节点位移均用所创建的六自由度“虚节点”的节点位移来表示如下：