专利名称：基于参数模块化加工中心刚度计算的机床配置方法
技术领域：
本发明涉及一种动静刚度分析计算领域的方法，尤其是涉及一种基于参数模块化加工中心刚度计算的机床配置方法。
背景技术：
可重构制造系统是一种具有主动适应外界环境变化和被动响应系统内部扰动两大功能的制造系统，它能够在现有系统的基础上通过系统构件的重构，改变系统的结构，从而调整系统的功能和生产能力以适应产品品种的变化或市场需求量的变化。可重构制造系统，其具有模块化、开放性、可扩展性、可集成性、可转变性、客户定制和可诊断性等特征。其中模块化是可重构制造系统的最核心特征。可重构制造系统由上层的规划调度控制器和底层的加工中心组成。加工中心是实现可重构制造系统的关键技术装备，与普通机床的区别在于其具有模块化结构和重构能力。所谓模块化设计分析方法，就是将产品的某些要素组合在一起，构成一个具有特定功能的子系统，将这个子系统作为通用性的模块与其他要素进行多种组合，构成新的功能相同但性能不同的系列化产品。由于模块的不断细分，模块化的设计方法产生众多的配置方案，因此对加工中心的动静刚度的分析是机床设计中的重要内容。加工中心的物理结构和功能结构是模块化的，因此，在对机床整体刚度进行分析时加工中心具有应用模块化的动静刚度计算法的结构优势。经对现有技术的文献检索发现，现存对数控机床整体的动静刚度分析方法在效率和精度等方面存在一定的缺陷。传统对机床动静刚度的分析方法为实验法或有限元分析法。实验法由反复物理实验获得结果，这种方法昂贵且效率较低。有限元分析法是借助计算机辅助析软件进行计算，这种方法在构建分析简化模型时比较依赖分析者的建模经验，因此在分析精度方面缺乏稳定性。为解决以上问题，Huang-T教授2001年在SCI杂志《Robotic and Automation》(机器人科学)发表 了 “Stiffness estimation of a tripod-based parallelkinematicmachine”,该文利用虚功原理将并联机床分解为传动系统和机架子系统,分别求子系统的刚度，再利用线性叠加求取整机动静刚度。尽管这些研究将机床划分成了两个模块，在一定程度上简化了刚度分析过程，但是对于机床模块划分并没有进一步研究，因此对分析效率的提高也是有限的。
发明内容
本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种简单快捷的基于参数模块化加工中心刚度计算的机床配置方法，该方法在保证刚度分析精度前提下，具有较高的分析效率，且使得整个机床的生产设计网络不受实验和分析者经验缺乏等限制。本发明的目的可以通过以下技术方案来实现一种基于参数模块化加工中心刚度计算的机床配置方法，该方法包括以下步骤
步骤一，基于参数化设计原理对加工中心进行模块划分，组成模块库；步骤二，根据加工工艺从模块库中选择满足要求的模块；步骤三，将所选的模块组合成机床整体，存入配置方案库；步骤四，计算配置方案库中每个配置方案所对应的机床整体的动静刚度；步骤五，根据步骤四的计算结果，判断每个配置方案是否满足加工精度和稳定性要求，若是，则输出满足要求的配置方案，若否，则返回步骤二，重新选择模块。所述的加工中心包括立式加工中心、卧式加工中心和龙门式加工中心。对加工中心进行模块划分后，加工中心包括床身模块、立柱模块、工作台模块、主轴模块、刀库模块、转台模块和滑台模块。所述的步骤四具体为41)对配置方案中的每个模块进行分析，判断模块刚度数据库中是否存储有各模块的刚度数据，若是，则执行步骤42)，若否，则计算各模块的刚度，并将刚度数据存入模块刚度数据库中；42)建立各模块的简化模型；43)假设各模块间的连接为刚性连接，建立双模块系统的挠曲数学模型计算双模块系统的静刚度，同时建立双模块系统的振动数学模型计算双模块系统的动刚度；44)将各模块刚度及几何参数依次代入步骤43)中的数学模型，经迭代获得机床整体的动刚度和静刚度。所述的模块的简化模型具体为计算静刚度时，模块的简化模型为无质量弹簧，空间状态下简化为无质量横梁模型；计算动刚度时，模块的简化模型为内部弹簧决定固有频率的质量体。所述的各模块刚度K的计算公式为K = E · A/LE为模块的弹性模量，A为模块的横截面积，L为模块长度。所述的建立双模块系统的挠曲数学模型计算双模块系统的静刚度具体为I)将双模块系统简化为刚性连接的无质量横梁模型；2)利用旋量理论计算无质量横梁模型的挠曲
权利要求
1.一种基于参数模块化加工中心刚度计算的机床配置方法，其特征在于，该方法包括以下步骤 步骤一，基于参数化设计原理对加工中心进行模块划分，组成模块库； 步骤二，根据加工工艺从模块库中选择满足要求的模块； 步骤三，将所选的模块组合成机床整体，存入配置方案库； 步骤四，计算配置方案库中每个配置方案所对应的机床整体的动静刚度； 步骤五，根据步骤四的计算结果，判断每个配置方案是否满足加工精度和稳定性要求，若是，则输出满足要求的配置方案，若否，则返回步骤二，重新选择模块。
2.根据权利要求1所述的一种基于参数模块化加工中心刚度计算的机床配置方法，其特征在于,所述的加工中心包括立式加工中心、卧式加工中心和龙门式加工中心。
3.根据权利要求1所述的一种基于参数模块化加工中心刚度计算的机床配置方法，其特征在于，对加工中心进行模块划分后，加工中心包括床身模块、立柱模块、工作台模块、主轴模块、刀库模块、转台模块和滑台模块。
4.根据权利要求1所述的一种基于参数模块化加工中心刚度计算的机床配置方法，其特征在于，所述的步骤四具体为 41)对配置方案中的每个模块进行分析，判断模块刚度数据库中是否存储有各模块的刚度数据，若是，则执行步骤42)，若否，则计算各模块的刚度，并将刚度数据存入模块刚度数据库中； 42)建立各模块的简化模型； 43)假设各模块间的连接为刚性连接，建立双模块系统的挠曲数学模型计算双模块系统的静刚度，同时建立双模块系统的振动数学模型计算双模块系统的动刚度； 44)将各模块刚度及几何参数依次代入步骤43)中的数学模型，经迭代获得机床整体的动刚度和静刚度。
5.根据权利要求4所述的一种基于参数模块化加工中心刚度计算的机床配置方法，其特征在于，所述的模块的简化模型具体为计算静刚度时，模块的简化模型为无质量弹簧，空间状态下简化为无质量横梁模型；计算动刚度时，模块的简化模型为内部弹簧决定固有频率的质量体。
6.根据权利要求4所述的一种基于参数模块化加工中心刚度计算的机床配置方法，其特征在于，所述的各模块刚度K的计算公式为K = E · A/L E为模块的弹性模量，A为模块的横截面积，L为模块长度。
7.根据权利要求4所述的一种基于参数模块化加工中心刚度计算的机床配置方法，其特征在于，所述的建立双模块系统的挠曲数学模型计算双模块系统的静刚度具体为 1)将双模块系统简化为刚性连接的无质量横梁模型； 2)利用旋量理论计算无质量横梁模型的挠曲Ti2 = TdiT 梁梁 2[Τ 梁 iTgj 1 其中，T12表示双模块系统自由端的挠曲变形程度，Tgl、Tg2为横梁I和横梁2自由端的挠曲变形程度，Td1、Td2为横梁I和2连接端的挠曲变形程度。
8.根据权利要求7所述的一种基于参数模块化加工中心刚度计算的机床配置方法，其特征在于，所述的挠曲变形程度为4X4矩阵，其中1、2列为旋转角度Θ的正弦/余弦，3、4列为位移D与sin( Θ )/cos( Θ )的乘积。
9.根据权利要求4所述的一种基于参数模块化加工中心刚度计算的机床配置方法，其特征在于，所述的建立双模块系统的振动数学模型计算双模块系统的动刚度具体为 对于机床振动状态下的双模块系统，其中一个模块的振动数学模型推导结果如下
10.根据权利要求4所述的一种基于参数模块化加工中心刚度计算的机床配置方法，其特征在于，所述的迭代是指先计算双模块系统的刚度，然后将双模块系统作为一个模块与另一模块组成一个新的双模块系统，计算双模块系统的刚度，依次类推，获得整个加工中心的刚度。
全文摘要
本发明涉及一种基于参数模块化加工中心刚度计算的机床配置方法，该方法包括以下步骤步骤一，基于参数化设计原理对加工中心进行模块划分，组成模块库；步骤二，根据加工工艺从模块库中选择满足要求的模块；步骤三，将所选的模块组合成机床整体，存入配置方案库；步骤四，计算配置方案库中每个配置方案所对应的机床整体的动静刚度；步骤五，根据步骤四的计算结果，判断每个配置方案是否满足加工精度和稳定性要求，若是，则输出满足要求的配置方案，若否，则返回步骤二。与现有技术相比，本发明在保证刚度分析精度前提下，具有较高的分析效率，且使得整个机床的生产设计网络不受实验和分析者经验缺乏等限制，具有简单快捷等优点。
文档编号G06F17/50GK103034759SQ20121052926
公开日2013年4月10日 申请日期2012年12月10日 优先权日2012年12月10日
发明者徐立云, 李爱平, 孙健, 刘雪梅, 谢楠, 马淑梅 申请人:同济大学