一种优化机床整机动态特性的方法与流程

本发明涉及机床设备领域，具体涉及一种优化机床整机动态特性的方法。

背景技术

随着世界制造产业领域的不断发展，现在数控机床制造业不仅要求机床制造成本低、操作方便，还需求其在加工工件时保持较高的加工精度和稳定的加工性能。因此提高数控机床的动态性能是在机械制造行业不断追求的主要目标。质量、刚度作为机床重要结构参数之一，对整机的动特性有着直接影响，一般机床整机主要由主轴箱、立柱、滑板、工作台和床身等大件组成，如何合理优化各大件的结构质量以及结构刚度对于提高数控机床制造技术有着深远影响。

目前，针对机床结构动态特性提高的优化方法通常为仿真分析法，通过对机床主要大件进行每个部件单独的仿真模态分析获得模态振型参数，基于经验分析，确定结构薄弱环节。虽然方法正确，但有三个缺点：一是仿真设计分析优化是针对每个结构件的单独优化，二是设计过程中仍沿用经验、类比的传统方法改进机床部件动态特性；三是缺少从实际机床整机产品中测试发现动态特性薄弱环节到修改薄弱环节，形成一套能够在整机的层面上完成机床各部件结构质量、刚度优化，从而完成机床整机动态特性提升的方法。

技术实现要素：

本发明是为了解决上述问题而进行的，目的在于提供一种能够高效、可靠地完整优化机床整机动态特性的方法。

本发明提供了一种优化机床整机动态特性的方法，用于优化机床整机动态特性，具有这样的特征，包括以下步骤：步骤1，采集机床上各个测试点上的加速度数据；步骤2，构建机床的整机简化模型，获取机床整机各阶模态频率数据与振型矩阵数据；步骤3，结合机床整机各阶模态频率数据、振型矩阵数据，分别通过质量灵敏度公式、刚度灵敏度公式确定机床各结构的质量薄弱点和刚度薄弱点，质量灵敏度公式为：

刚度灵敏度公式为：

ωr为机床第r阶固有频率；φir和φjr分别为机床第r阶固有频率中的测试点i和测试点j的振型向量，mij为机床测试点i与测试点j之间的结构质量，kij为机床测试点i与测试点j之间的结构刚度；步骤4，确定各个测试点上结构质量分布的目标函数以及结构刚度分布的目标函数，结构质量分布的目标函数为：

maxf(m)

变量：m＝(m1，m2，…mn)

约束条件：

fi≥[fi]

ψi≤[ψi]

mi-min≤mi≤mi-max

f(m)为机床整机动态特性；m为机床某个部件的结构质量，m1、m2、mn分别为机床的第1个部件、第2个部件以及第n个部件的结构质量，mi为机床的第i个部件的结构质量，fi为机床的第i阶固有频率，[fi]为机床的第i阶最低频率值，ψi为机床第i阶模态振幅，[ψi]为机床的第i阶模态最大振幅，mi-min为机床的第i个部件的结构质量的最低允许值，mi-max为机床的第i个部件的结构质量的最高允许值；步骤5，通过机床各结构质量的目标函数计算出机床各结构质量的合理优化值，通过机床各结构刚度的目标函数计算出机床各结构刚度的合理优化值；以及步骤6，通过结构质量优化值对比机床优化前后的各阶模态频率和振幅的变化值，通过结构刚度化值对比机床优化前后的各阶模态频率和振幅的变化值。

本发明提供的优化机床整机动态特性的方法，还包括：步骤7，利用机床各结构质量优化后的整机各阶模态频率进行模态置信准则mac验证，以及利用机床各结构刚度优化后的整机各阶模态频率进行模态置信准则mac验证，若验证的结果不理想，则重复步骤6直至mac验证取得理想的结果。

本发明提供的优化机床整机动态特性的方法，还具有这样的特征：其中，步骤1包括如下子步骤：步骤1-1，选取机床足够多的关键位点作为测试点；步骤1-2，在每个测试点上贴上加速度传感器；步骤1-3，采用力锤对机床的某一拾振点进行锤击，采集各个测试点上的加速度数据。

本发明提供的优化机床整机动态特性的方法，还具有这样的特征：其中，关键位点是指能够建立机床的测试模型的典型位点，包括机床边角上的点以及机床上的其它振动敏感点。

本发明提供的优化机床整机动态特性的方法，还具有这样的特征：其中，在选取拾振点时，要避免选取的拾振点在测试点上。

本发明提供的优化机床整机动态特性的方法，还具有这样的特征：其中，在用力锤锤击机床时，要避免连续敲击，应采用一点激励多点响应的方式。

本发明提供的优化机床整机动态特性的方法，还具有这样的特征：其中，在步骤2中，在构建机床的整机简化模型时，具体表现为：①删除机床所有的细小结构特征，只保留由线、面、体组成的模型结构；②用机床结构中的线与线的交点代表测试点，机床各结构质量按质量矩阵平均分配到测试点上，机床各结构刚度按刚度矩阵平均分配到测试点上。

本发明提供的优化机床整机动态特性的方法，还具有这样的特征：其中，在的步骤4中，结构刚度分布的目标函数为：

maxf(k)

变量：k＝(k1，k2，…kn)

约束条件：

fi≥[fi]

ψi≤[ψi]

ki-min≤ki≤ki-max

f(k)为机床整机动态特性；k为机床某个部件的结构刚度，k1、k2、kn分别为机床的第1个部件、第2个部件以及第n个部件的结构刚度，ki为机床的第i个部件的结构刚度，fi为机床的第i阶固有频率，[fi]为机床的第i阶最低频率值，ψi为机床第i阶模态振幅，[ψi]为机床的第i阶模态最大振幅，ki-min为机床的第i个部件的结构刚度的最低允许值，ki-max为机床的第i个部件的结构刚度的最高允许值。

本发明提供的优化机床整机动态特性的方法，还具有这样的特征：其中，mac验证的公式为：

φr和φs分别为机床第r阶和第s阶振型向量，φr^t，φs^t分别为φr、φs的转置。

发明的作用与效果

根据本发明所涉及的优化机床整机动态特性的方法，因为是以实验数据为基础做出的分析，分别通过质量灵敏度计算公式、刚度灵敏度计算公式确定机床个各部件结构质量薄弱环节以及结构刚度薄弱环节，再利用目标函数进行有目的的优化结构质量以及结构刚度，最后分别对优化的结构质量结果以及结构刚度结果进行模态置信准则mac验证，所以确保了机床各部件的质量和刚度的优化值的正确可靠性，并最终能极大提升机床整机动态特性。

附图说明

图1是通过本发明提供的一种优化机床整机动态特性的方法的流程示意图；以及

图2是某五轴机床对各部件结构质量优化后通过模态置信准则mac验证的验证结果图；以及

图3是某五轴机床对各部件结构刚度优化后通过模态置信准则mac验证的验证结果图。

具体实施方式

为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，以下实施例结合附图对本发明一种优化机床整机动态特性的方法作具体阐述。

本发明提供的一种优化机床整机动态特性的方法，用于优化机床整机动态特性。

图1是通过本发明提供的一种优化机床整机动态特性的方法的流程示意图。

如图1所示，利用该方法优化某五轴机床各部件结构质量和刚度包括如下步骤：

步骤1，采集机床上各个测试点上的加速度数据，包括以下子步骤；

步骤1-1，选取机床252个的关键位点作为测试点；

步骤1-2，在每个测试点上贴上加速度传感器；

步骤1-3，采用力锤对机床的某一拾振点进行锤击，通过lms_testlab硬件设备采集各个测试点上的加速度数据上传到终端设备中，

另外，在步骤1中，有如下特征：

①关键位点是指能够建立机床的测试模型的典型位点，包括机床边角上的点以及机床上的其它振动敏感点；

②在选取拾振点时，要避免选取的拾振点在测试点上；

③在用力锤锤击机床时，要避免连续敲击，应采用一点激励多点响应的方式。

步骤2，在lms_testlab软件中依据所有的关键位点构建机床的整机简化模型，依据加速度数据获取机床的整机各阶模态频率数据与振型矩阵数据。

另外，在步骤2中，构建机床的整机简化模型时有如下特征：

①删除机床所有的细小结构特征，只保留由线、面、体组成的模型结构；

②用机床结构中的线与线的交点代表测试点，机床各结构质量按质量矩阵平均分配到测试点上，机床各结构刚度按刚度矩阵平均分配到测试点上。

步骤3，结合机床整机各阶模态频率数据、振型矩阵数据，分别通过质量灵敏度公式、刚度灵敏度公式确定机床各结构的质量薄弱点和刚度薄弱点，

其中，质量灵敏度公式为：

刚度灵敏度公式为：

ωr为机床第r阶固有频率；φir和φjr分别为机床第r阶固有频率中的测试点i和测试点j的振型向量，mij为机床测试点i与测试点j之间的结构质量，kij为机床测试点i与测试点j之间的结构刚度。

步骤4，依据实验要求，在机床各结构质量可修改的范围内，以整机动特性最优为目标，确定机床各个测试点上结构质量分布的目标函数以及结构刚度分布的目标函数，

其中，结构质量分布的目标函数为：

maxf(m)

变量：m＝(m1，m2，…mn)

约束条件：

fi≥[fi]

ψi≤[ψi]

mi-min≤mi≤mi-max

f(m)为机床整机动态特性；m为机床某个部件的结构质量，m1、m2、mn分别为机床的第1个部件、第2个部件以及第n个部件的结构质量，mi为机床的第i个部件的结构质量，fi为机床的第i阶固有频率，[fi]为机床的第i阶最低频率值，ψi为机床第i阶模态振幅，[ψi]为机床的第i阶模态最大振幅，mi-min为机床的第i个部件的结构质量的最低允许值，mi-max为机床的第i个部件的结构质量的最高允许值；

结构质量分布的目标函数为：

maxf(k)

变量：k＝(k1，k2，…kn)

约束条件：

fi≥[fi]

ψi≤[ψi]

ki-min≤ki≤ki-max

f(k)为机床整机动态特性；k为机床某个部件的结构刚度，k1、k2、kn分别为机床的第1个部件、第2个部件以及第n个部件的结构刚度，ki为机床的第i个部件的结构刚度，fi为机床的第i阶固有频率，[fi]为机床的第i阶最低频率值，ψi为机床第i阶模态振幅，[ψi]为机床的第i阶模态最大振幅，ki-min为机床的第i个部件的结构刚度的最低允许值，ki-max为机床的第i个部件的结构刚度的最高允许值。

步骤5，在lms_testlab软件中，通过目标函数计算出机床各结构质量的合理优化值以及机床各结构刚度的合理优化值。

步骤6，通过结构质量优化值对比机床优化前后的各阶模态频率和振幅的变化值，通过结构刚度化值对比机床优化前后的各阶模态频率和振幅的变化值。

在本实施例中，某五轴机床整机各结构质量优化前后的模态频率和振幅的变化如下表1。

表1

由表1可知，某五轴机床整机前7阶模态振幅在频率提高的同时振幅均有所降低，尤其是第一阶模态频率提高26％，振幅下降了86％，符合试验要求，极大的提升了整机的动特性。

在本实施例中，某五轴机床整机各结构刚度优化前后的模态频率和振幅的变化如下表2。

表2

由表2可知，某五轴机床整机前7阶模态振幅在频率提高的同时振幅均有所降低，极大的提升了整机的动特性。

步骤7，利用机床各结构质量优化后的整机各阶模态频率进行模态置信准则mac验证，以及利用机床各结构刚度优化后的整机各阶模态频率进行模态置信准则mac验证，若验证的结果不理想，则重复步骤6直至mac验证取得理想的结果，

其中，mac验证的公式为：

φr和φs分别为机床第r阶和第s阶振型向量，φr^t，φs^t分别为φr、φs的转置。

图2是某五轴机床对各部件结构质量优化后通过模态置信准则mac验证的验证结果图。

如图2所示，在本实施例中，提取某五轴机床各部件结构质量优化后的前7阶模态频率进行模态置信准则mac验证，验证结果表明：除对角线外，各阶模态频率之间的mac值均很小，表明具有良好的正交性，保证了整个优化方法的可靠性。

图3是某五轴机床对各部件结构刚度优化后通过模态置信准则mac验证的验证结果图。

如图3所示，在本实施例中，提取某五轴机床各部件结构刚度优化后的前7阶模态频率进行模态置信准则mac验证，验证结果表明：除对角线外，各阶模态频率之间的mac值均很小，表明具有良好的正交性，保证了整个优化方法的可靠性。

本发明提供的一种优化机床整机动态特性的方法不仅可以优化五轴机床各部件结构质量以及结构刚度，还可以优化其他任何类型机床的各部件结构质量以及结构刚度，并最终能极大提升机床整机动态特性，适用范围广且效率高且可靠性强。

实施例的作用与效果

根据本实施例所涉及的优化机床整机动态特性的方法，因为是以实验数据为基础做出的分析，分别通过质量灵敏度计算公式、刚度灵敏度计算公式确定机床个各部件结构质量薄弱环节以及结构刚度薄弱环节，再利用目标函数进行有目的的优化结构质量以及结构刚度，最后分别对优化的结构质量结果以及结构刚度结果进行模态置信准则mac验证，所以确保了机床各部件的质量和刚度的优化值的正确可靠性，并最终能极大提升机床整机动态特性。

上述实施方式为本发明的优选案例，并不用来限制本发明的保护范围。