專利名稱：一種機床設(shè)計方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及機床設(shè)計領(lǐng)域，尤其涉及一種改進(jìn)了的機床設(shè)計方法。
背景技術(shù)：
PCB(印刷電路板)板鉆、銑機等高精數(shù)控機床是一種現(xiàn)代工業(yè)電子裝備，其涉 及到精密制造技術(shù)、自動控制技術(shù)、信息處理、傳輸?shù)?，具有高速、高精密等特點。此 類高速、高精密機床機械本體有如下的結(jié)構(gòu)特點1、傳動、定位精準(zhǔn)；2、慣量小、剛 度高、振動小。在傳統(tǒng)設(shè)計中，這種機床的設(shè)計強調(diào)零部件尺寸的設(shè)計、選型、校核， 僅僅注重了結(jié)構(gòu)空間位置設(shè)計，其余性能要求是否能達(dá)到要求，主要是依靠設(shè)計師自身 的經(jīng)驗，沒有非常好的評價指標(biāo)，設(shè)計過程不夠科學(xué)合理。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種機床設(shè)計方法，旨在解決現(xiàn)有的機床設(shè)計方法不夠科 學(xué)合理的缺陷。 本發(fā)明提供的機床設(shè)計方法包括以下步驟 步驟a，根據(jù)零件機加工藝和裝配工藝，建立機床物理模型； 步驟b，對物理模型施加驅(qū)動信號，測量平臺動態(tài)精度； 步驟c，將物理模型轉(zhuǎn)化為數(shù)學(xué)模型并求解； 步驟d，對參數(shù)進(jìn)行分析并以此對機床設(shè)計進(jìn)行優(yōu)化。 更具體的，所述執(zhí)行步驟a進(jìn)一步包括 步驟al，建立機床三維數(shù)字化裝配模型； 步驟a2，利用動力學(xué)軟件系統(tǒng)建立機床物理模型。 更具體的，所述步驟d進(jìn)一步包括對空間分布尺寸參數(shù)以及對柔性連接剛度參 數(shù)進(jìn)行分析。更具體的，所述步驟a中的物理模型為y向運動物理模型。
更具體的，所述步驟a中采用Adams軟件建立機床物理模型。
本發(fā)明提供的機床設(shè)計方法是利用動力學(xué)技術(shù)，直接以機床動態(tài)性能表現(xiàn)為評 價指標(biāo)，確定影響機床運動性能的多種運動功能元器件的性能參數(shù)和組合方式，如運動 件導(dǎo)軌、滑塊副、絲桿、螺紋副性能參數(shù)如何選??；兩種運動功能件如何空間布局和組 合使機床運行達(dá)到良好平穩(wěn)性要求。此外，本發(fā)明具有較好的通用性，能夠分析機床其 它功能部件，并確定在功能部件裝配時，由裝配參數(shù)不同而引發(fā)機床不同的動態(tài)表現(xiàn)， 根據(jù)機床動態(tài)表現(xiàn)優(yōu)化設(shè)計裝配參數(shù)。本發(fā)明提出的機床設(shè)計方法直接以機床動態(tài)性能 為評價目標(biāo)，以剛體動力學(xué)計算為分析手段，以運動功能元件組合性能參數(shù)為分析優(yōu)化 對象，具有目標(biāo)明確、手段合理、分析便捷的優(yōu)點。


圖1是本發(fā)明機床設(shè)計方法的流程圖；
圖2是本發(fā)明涉及的動力學(xué)模型求解過程示意圖；
圖3是導(dǎo)軌、絲桿分布尺寸參數(shù)設(shè)置示意圖；
圖4圖5是針對圖3的曲線分析圖。
具體實施例方式
為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點更加清楚明白，以下結(jié)合附圖及實施 例，對本發(fā)明進(jìn)行進(jìn)一步詳細(xì)說明。應(yīng)當(dāng)理解，此處所描述的具體實施例僅僅用以解釋 本發(fā)明，并不用于限定本發(fā)明。 本發(fā)明提供的機床設(shè)計方法是利用動力學(xué)分析手段，確定機床運動功能件的性 能參數(shù)和組合狀態(tài)，使得機床動力機構(gòu)能平穩(wěn)運行，機床由驅(qū)動部分移動慣量所應(yīng)起的 結(jié)構(gòu)振動達(dá)到最小。 本發(fā)明的較佳實施例是在計算機內(nèi)建立數(shù)控機床動力學(xué)模型，以動力學(xué)模型在 驅(qū)動力作用下的動態(tài)性能表現(xiàn)(機床運動軌跡)為評價依據(jù)，設(shè)計和優(yōu)化運動功能元器件 的參數(shù)和位置布局，利用現(xiàn)代動力學(xué)設(shè)計方法選型、安裝和布局運動功能元器件，使其 達(dá)到性能最優(yōu)化，最大限度提高運動平臺的動態(tài)精度。參見圖l中所示，本發(fā)明提供的 機床設(shè)計方法具體包括以下步驟 步驟ll，根據(jù)零件機加工藝和裝配工藝，建立機床物理模型(y向運動物理模 型)，具體步驟如下 步驟lll，建立機床三維數(shù)字化裝配模型。數(shù)字化模型包括完整零部件幾何信 息、零部件相對空間位置信息、零部件材料信息等。數(shù)字化模型與實物具有一致的外 形尺寸，根據(jù)實物材質(zhì)添加質(zhì)量屬性，含有質(zhì)量信息的數(shù)模在重量、質(zhì)心位置、慣量等 物理特性方面與實物保持一致。數(shù)字化模型按機加和裝配工藝在軟件環(huán)境中完成虛擬 裝配，裝配后模型需要檢查零部件相互位置關(guān)系、有無設(shè)計缺陷，是否存在相互干涉現(xiàn) 象、整機重量是否符合要求等內(nèi)容。 步驟112，利用動力學(xué)軟件(Adams軟件)系統(tǒng)建立機床物理模型。建立機床物 理模型就是要確定機床多剛體動力學(xué)模型，在Adams軟件中為上述數(shù)字化模型設(shè)置各類 運動鉸，如圓柱副、旋轉(zhuǎn)副、移動副、平面副、螺紋副等，添加運動鉸后的動力學(xué)模型 可以實現(xiàn)運動學(xué)仿真。設(shè)置完成機床運動約束后，在模型需要處設(shè)置柔性聯(lián)接，增加力 元和外力等要素，力元大小、方向按實際裝配工藝添加。力元設(shè)置完成后，機床動力學(xué) 模型已基本建立。 設(shè)置數(shù)字化模型各類運動副和添加力元后，可在滑塊、導(dǎo)軌和絲桿、螺母等關(guān) 鍵運動功能件部分設(shè)置兩類可變參數(shù)第一類是空間分布尺寸參數(shù)；第二類是柔性連接 剛度參數(shù)。設(shè)置運動功能件空間布置參數(shù)，并對該參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，使整個模型能最大程 度減少由于尺寸設(shè)計不合理所帶來的驅(qū)動偏心，負(fù)載結(jié)構(gòu)不對稱等問題而引發(fā)的機構(gòu)運 動偏差。運動功能件設(shè)置完空間參數(shù)后，動力學(xué)模型采用笛卡爾方法進(jìn)行數(shù)學(xué)建模，一 般表達(dá)式為
$ = 0 (|-=1，2，—m) W為系統(tǒng)約束方程；入為拉格朗日乘子；M， Q為質(zhì)量對角矩陣和廣義列陣。
利用動力學(xué)軟件設(shè)置運動功能件的柔性連接參數(shù)，如滑塊與工作臺柔性連接、 螺母座與工作臺連接；設(shè)置柔性連接參數(shù)時，反應(yīng)了物體與物體之間相互作用力與力矩 的真實關(guān)系；當(dāng)工作平臺高速運動過程中，由于連接松緊程度不同而導(dǎo)致零部件之間相 互作用力大小和方向發(fā)生變化，平臺動態(tài)軌跡表現(xiàn)也就不同；當(dāng)整體運動系統(tǒng)不存在柔 性連接時，平臺運動僅僅是理想軌跡曲線，并未能表現(xiàn)出真實運動狀態(tài)，如系統(tǒng)振動、 指令跟隨性和運動平穩(wěn)性。利用動力學(xué)軟件(Adams)對運動功能部件柔性連接進(jìn)行參數(shù) 設(shè)置和調(diào)整是核心技術(shù)之一，參數(shù)的設(shè)置和調(diào)節(jié)反應(yīng)真實裝配工藝。 步驟12，對物理模型施加驅(qū)動信號，測量平臺動態(tài)精度。施加驅(qū)動后的物理模 型，在工作平臺設(shè)置拾取點，作為平臺動態(tài)精度測量點。平臺在驅(qū)動力作用下按指令軌 跡運行，測量點真實運行軌跡便是機床平臺的動態(tài)精度曲線。 由于運動功能件存在位置參數(shù)和柔性連接參數(shù)，調(diào)節(jié)兩種參數(shù)值直接決定該條 曲線變化走勢，該曲線變化趨勢作為評價參數(shù)調(diào)節(jié)好與壞的標(biāo)準(zhǔn)。 步驟13，將物理模型轉(zhuǎn)化為數(shù)學(xué)模型并求解。物理模型添加驅(qū)動信號后，在動 力學(xué)軟件中轉(zhuǎn)換為數(shù)學(xué)模型，再由Adams調(diào)用相應(yīng)的求解器對所述數(shù)學(xué)模型進(jìn)行求解， 形成上述平臺運動軌跡曲線，動力學(xué)模型求解過程如下圖2所示根據(jù)動力學(xué)模型生成 偏微分代數(shù)方程，通常該類方程涉及到高階非線性，需要經(jīng)過牛頓-拉斐遜方法進(jìn)行線性 化，并進(jìn)行高階消元方可求解。 步驟14，對動力學(xué)模型參數(shù)進(jìn)行分析并以此為依據(jù)對機床設(shè)計進(jìn)行優(yōu)化。例 如，對空間分布尺寸參數(shù)進(jìn)行分析(如圖3、圖4、圖5所示) 圖3是導(dǎo)軌、絲桿分布尺寸參數(shù)設(shè)置示意圖，其包括工作臺30、轉(zhuǎn)接座31、滑 塊32、導(dǎo)軌33，圖4、圖5是分析曲線，分析得知，絲杠中心與工作臺30的臺面垂直距 離越大，偏差也就越明顯，對工作臺30的定位精度影響也就越大，所以在設(shè)計過程中， 應(yīng)盡量將驅(qū)動設(shè)置在負(fù)載中心點上，以減小定位精度偏差；結(jié)合實際設(shè)計情況，滑塊32 到工作臺30中點位置與滑塊32跟導(dǎo)軌33結(jié)合面之間的設(shè)計空間應(yīng)當(dāng)作為絲杠較理想的 擺放位置，參數(shù)值取0-30mm之間較合理。 以上所述僅為本發(fā)明的較佳實施例而已，并不用以限制本發(fā)明，例如本發(fā)明不 僅僅局限于應(yīng)用在PCB數(shù)控鉆孔機床中，還可以應(yīng)用于其他類型的機床。凡在本發(fā)明的 精神和原則之內(nèi)所作的任何修改、等同替換和改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護范圍之 內(nèi)。
權(quán)利要求
一種機床設(shè)計方法，其特征在于包括以下步驟步驟a，根據(jù)零件機加工藝和裝配工藝，建立機床物理模型；步驟b，對物理模型施加驅(qū)動信號，測量平臺動態(tài)精度；步驟c，將物理模型轉(zhuǎn)化為數(shù)學(xué)模型并求解；步驟d，對參數(shù)進(jìn)行分析并以此對機床設(shè)計進(jìn)行優(yōu)化。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的機床設(shè)計方法，其特征在于，所述執(zhí)行步驟a進(jìn)一步包括 步驟al，建立機床三維數(shù)字化裝配模型；步驟a2，利用動力學(xué)軟件系統(tǒng)建立機床物理模型。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的機床設(shè)計方法，其特征在于，所述步驟d進(jìn)一步包括對空間 分布尺寸參數(shù)以及對柔性連接剛度參數(shù)進(jìn)行分析。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的機床設(shè)計方法，其特征在于，所述步驟a中的物理模型為y 向運動物理模型。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的機床設(shè)計方法，其特征在于，所述步驟a中采用Adams軟件建立機床物理模型。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種機床設(shè)計方法，其包括以下步驟步驟a，根據(jù)零件機加工藝和裝配工藝，建立機床物理模型；步驟b，對物理模型施加驅(qū)動信號，測量平臺動態(tài)精度；步驟c，將物理模型轉(zhuǎn)化為數(shù)學(xué)模型并求解；步驟d，對參數(shù)進(jìn)行分析并以此對機床設(shè)計進(jìn)行優(yōu)化。本發(fā)明提出的機床設(shè)計方法直接以機床動態(tài)性能為評價目標(biāo)，以剛體動力學(xué)計算為分析手段，以運動功能元件組合性能參數(shù)為分析優(yōu)化對象，具有目標(biāo)明確、手段合理、分析便捷的優(yōu)點。
文檔編號B23B41/02GK101690980SQ20091010768
公開日2010年4月7日 申請日期2009年6月5日 優(yōu)先權(quán)日2009年6月5日
發(fā)明者宋福民, 崔彥洲, 肖俊君, 雷群, 高云峰 申請人:深圳市大族激光科技股份有限公司;深圳市大族數(shù)控科技有限公司