CN108733899A - 频域响应计算的精密机床动态性能优化方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种频域响应计算的精密机床动态性能优化方法，在三维设计软件中建立机床结构零件的模型，建立频域动态切削力模型；选定需要优化的结构特征尺寸作为优化输入参数，得到初始参数条件下机床关键部位的频响函数；对频域动态切削力进行简化，并得到简化的计算方程，实现动态激振力下频域响应的计算求解；在选定转速范围内计算每一个转速条件下的动态切削力，并进一步通过频响函数响应计算得到每一个转速下机床敏感方向的振动响应，并利用离散化方式得到振动响应函数的RMS值；以某一转速范围的振动RMS作为优化目标，以结构参数作为优化变量，进行循环优化计算，当RMS降低达到预定目标时，最终得到机床或者其关键部件结构的动态性能优化结果。

Description

频域响应计算的精密机床动态性能优化方法

技术领域

本发明涉及一种精密机床动态性能优化方法，尤其是一种基于频域振动响应计算的机床结构动态性能方法。

背景技术

机床的动态性能，决定了其加工的抗振性，甚至还决定了高速精密加工技术的应用前景。高性能的数控机床要求其具有很好的动态性能，而动态性能优化技术可以通过改善结构的参数来实现动态性能的提升。以往的动态性能优化方法主要考以质量、动刚度、模态频率等某单一指标作为优化的目标，优化的结果只能体现固有特性参数的提升效果，不能直接体现决定加工质量的工艺过程振动。而决定精密机床加工质量的往往是加工过程中动态激振力作用下的机床刀具和工件相对振动，所以如何在动态性能设计和优化过程中就体现工艺振动问题，从直接振动指标上体现设计和优化的效果，是精密机床动态性能优化方法的关键所在。

本专利充分考虑加工工艺过程中的切削动态激振力，在频域中计算动态激振力作用下刀具的振动，并以频域带宽内的振动能量作为优化目标，针对关键的结构参数进行设计优化，得到动态性能的优化结果，从而保证加工过程中常用转速范围内的振动得到有效改善，确保精密加工的精度和质量。

目前的针对机床动态性能的优化方法，主要包括：

方法1.模态频率优化方法：在有限元环境对机床的模态进行分析，找到影响模态频率的关键参数，从而以某阶次模态频率为优化目标进行结构优化设计，从而提高对应共振的激励频率，达到优化机床动态性能的目的。但是存在明显的缺陷：(1)以模态频率为优化目标，其动态性能的总体提升水平有限，无法能够实现振动的整体削减；(2)对于精密机床动态激振不能体现不同转速范围的振动响应；(3)优化结果只是模态频率的提高，很难体现机床工艺过程动态性能的提升效果。

方法2.动刚度优化方法：在有限元环境对机床的模态进行分析，通过对其进行谐响应分析得到动力学响应，发现动力学薄弱环节，从而使用参数化分析方法，从而得到机床质量和刚度对机床动态性能的影响规律，得到动刚度薄弱环节并进行优化设计。该方法的缺陷在于：(1)谐响应分析未充分考虑动态激振力对整个频域的影响；(2)优化设计的前提是以规律性分析为主，不能量化；(3)薄弱环节的优化主要从动刚度层面，不能对应应到加工工艺的振动。

方法3.质量优化方法：利用有限元分析软件对机床进行了结构模态分析，通过优化机床结构、修改材料等方法，在保证了床身的刚度和固有频率等指标的同时优化机床的质量。该方法的明显缺陷在于：(1)主要针对轻量化操作，对精密机床动态性能提升有限；(2)优化的方法和结果，不能有效降低加工工艺的振动。

综上可知现有技术的主要缺点为：

1.优化有限元模型，主要以质量、刚度等某些单一指标作为优化的目标，而不能体现整个***加工激励下的振动优化效果。

2.优化方法针对某一特定频率，或者振动机床的特定转速，不能考虑优化方法对整个频率(转速)范围的影响。

3.优化方法一定程度上提升了抗振性，但是缺少对以工艺过程中振动的整体改善。

针对以上缺陷，特别需要一种能够直接改善机床工作转速下振动响应的动态性能优化方法，并且能够快速有效实现来提升加工精度，来满足高档数控机床对高速、精密的共同需求。

发明内容

本发明的目的是为精密机床动态设计和优化方面提供一种基于频域响应的精密机床动态性能优化方法，该方法可以针对机床的工作转速，在频域范围内进行动态激振力与机床频响函数的叠加计算与评价，最终利用结构参数优化方法进行动态性能的优化。

本发明的技术方案是：一种频域响应计算的精密机床动态性能优化方法，其步骤为：

步骤1：在三维设计软件中建立机床结构零件的模型，并对装配模型进行适当简化修正，同时导入到有限软件进行网格划分，并进行材料属性、结合面和边界条件定义等方面的预处理；

步骤2：针对不同切削工艺，分析导致工艺过程切削动态力的主要原因，从而建立频域动态切削力模型；

步骤3：针对机床结构的有限元模型，选定需要优化的结构特征尺寸作为优化输入参数，从而建立参数化计算任务，并得到初始参数条件下机床关键部位的频响函数；

步骤4：针对机床的工作转速范围，对频域动态切削力进行简化，并得到简化的计算方程，从而在步骤5代入到步骤3得到的频响函数，实现动态激振力下频域振动响应幅值的计算求解；

步骤5：在选定转速范围内计算每一个转速条件下的动态切削力，并进一步通过频响函数响应计算得到每一个转速下机床敏感方向的振动响应幅值函数，并利用离散化方式得到振动响应函数的RMS值；

步骤6：以某一转速范围的振动RMS作为优化目标，以结构参数作为优化变量，进行循环优化计算，当RMS降低达到预定目标时，最终得到机床或者其关键部件结构的动态性能优化结果。

与现有技术相比，本发明的有益效果表现在：(1)本发明专利方法考虑动态切削力对机床固有动态特性的激励效果，通过有限元模型和动态力模型进行振动响应计算，能够反映真实加工状态的振动情况；(2)与传统单独进行模态频率或者动刚度等优化方法相比，从量化的指标上更加有效地实现动态特性的提升；(3)动态性能的优化参数同样为结构参数的前提下，能够针对特定工作转速直接降低工艺振动水平，提升加工精度。

附图说明

图1为本发明的方法实施的流程图；

图2为机床主轴不平衡示意图；

图3为机床的主轴的模型图；

图4为机床的主轴的简化优化对象示意图；

图5为参数化之后，原始结构参数得到的初始参数条件下机床关键部位的频响函数图；

图6为以动态切削力为对象进行的频域简化图；

图7为原始的动态性能RMS指标变化图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例，详细的说明本发明的方法的工作原理。

如图1所示，本发明的频域响应计算的精密机床动态性能优化方法，其步骤为：

步骤1：在三维设计软件中建立机床结构零件的模型，并对装配模型进行适当简化修正，同时导入到有限软件进行网格划分，并进行材料属性、结合面和边界条件定义等方面的预处理；专利方法可以直接利用设计模型进行处理，方法便捷可靠。

步骤2：针对不同切削工艺，分析导致工艺过程切削动态力的主要原因，从而建立频域动态切削力模型；专利方法主要考虑主轴不平衡导致的加工动态切削力，能够反映真实的振动特点。

步骤3：针对机床结构的有限元模型，选定需要优化的结构特征尺寸作为优化输入参数，从而建立参数化计算任务，并得到初始参数条件下机床关键部位的频响函数；频响函数作为计算的中间环节，反映机床的动态特性。

步骤4：针对机床的工作转速范围，对频域动态切削力进行简化，并得到简化的计算方程，从而在步骤5代入到步骤3得到的频响函数，实现动态激振力下频域振动响应幅值的计算求解；

步骤5：在选定转速范围内计算每一个转速条件下的动态切削力，并进一步通过频响函数响应计算得到每一个转速下机床敏感方向的振动响应幅值函数，并利用离散化方式得到振动响应函数的RMS值；

步骤6：以某一转速范围的振动RMS作为优化目标，以结构参数作为优化变量，进行循环优化计算，当RMS降低达到预定目标时，最终得到机床或者其关键部件结构的动态性能优化结果。

本发明的建模阶段，包括机床结构的有限元建模和基于切削工艺分析的频域动态切削力建模。

图2为机床主轴不平衡示意图，其中d为偏心距。由于机床主轴的不平衡导致切削过程切深的动态变化，从而产生切削过程中的动态切削力，引起工艺振动。动态激振力建模的以此为依据展开，并进一步根据优化算法的需求进行简化和参数化处理。

以磨削机床为例，当机床转速为n(r/min)时，ω＝2πn/60，其法向力和切向力可以用一下方法进行建模：

当为铣削时，还需要考虑铣刀齿数的倍频效应。

图3为机床关键部件——主轴的模型及参数化操作，其中，R1为前轴承，R2为后轴承。将需要优化的结构尺寸通过简化、等效等形式进行替换(刚度、阻尼，质量矩阵等)。以轴承10为例，可以简化为弹簧阻尼20参数，并以预紧力作为优化对象，如图4。

如图5为参数化之后，原始结构参数得到的初始参数条件下机床关键部位的频响函数。并对低频部分进行数据处理，以免带来数据计算的误差。

如图6为以动态切削力为对象进行的频域简化，可以得到用于优化的频域简化动态力方程：

在选定转速范围内计算每一个转速条件下的动态切削力，利用频域简化动态力方程和原始频响函数，实现动态激振力下频域响应结果的计算求解，得到每一个转速下机床敏感方向的振动响应，并利用离散化方式得到振动响应函数的RMS值(频率范围内离散为m个数据点，X代表每个数据点的幅值)：

如图7所示，显示原始的动态性能RMS指标会随着转速升高而总体上升，同时在某些速度范围会出现明显性高峰，当这些转速范围是机床常用的转速时，需要重点考虑此速度范围作为优化的区间(其对应相关振动频率幅值等信息)。

所以假定砂轮主轴的前伸出端作为优化变量，以常用转速4000rpm的振动RMS降低15％作为优化目标，可以得到动态性能的优化结果，通过本发明的基于频域响应的精密机床动态性能优化方法，可以实现相应工作转速下甚至是全范围内动态性能的提升，在机床结构固有动态特性改善的同时，更进一步从工艺上保证了加工过程的稳定性和抗振性，提升了精密加工机床的性能和加工质量。

本发明的频域响应计算的精密机床动态性能优化方法的特点如下：

1.动态切削力激振方法用于评价和优化机床工艺过程的动态性能，可以保证最终优化的量化指标直接为工艺过程中的振动。

2.通过切削激振力频域简化模型的转换，保证既体现机床切削的动态激振过程，又能实现优化过程中的可计算性。

3.利用有限元得到的频响函数求解某转速下动态激振力的振动响应，并计算起振动RMS值，从振动能量的角度去优化动态性能，同时既从机床固有属性上反映动态性能指标，又从工艺激振力上去反映不同转速下的动态性能差别。

4.该发明可以通过设定优化变量对特地结构进行参数优化在特定工作转速下的动态性能进行优化，具有灵活可操作性。

5.优化方法针对不同加工工艺过程可以建立相对应的切削力简化模型，适用于不同形式的切削加工机床。

Claims (1)

1.一种频域响应计算的精密机床动态性能优化方法，其特征在于，其步骤为：

步骤1：在三维设计软件中建立机床结构零件的模型，并对装配模型进行适当简化修正，同时导入到有限软件进行网格划分，并进行材料属性、结合面和边界条件定义等方面的预处理；

步骤2：针对不同切削工艺，分析导致工艺过程切削动态力的主要原因，从而建立频域动态切削力模型；

步骤3：针对机床结构的有限元模型，选定需要优化的结构特征尺寸作为优化输入参数，从而建立参数化计算任务，并得到初始参数条件下机床关键部位的频响函数；

步骤4：针对机床的工作转速范围，对频域动态切削力进行简化，并得到简化的计算方程，从而在步骤5代入到步骤3得到的频响函数，实现动态激振力下频域振动响应幅值的计算求解；

步骤5：在选定转速范围内计算每一个转速条件下的动态切削力，并进一步通过频响函数响应计算得到每一个转速下机床敏感方向的振动响应幅值函数，并利用离散化方式得到振动响应函数的RMS值；

步骤6：以某一转速范围的振动RMS作为优化目标，以结构参数作为优化变量，进行循环优化计算，当RMS降低达到预定目标时，最终得到机床或者其关键部件结构的动态性能优化结果。