一种机床动态精度的获取方法
【专利摘要】本发明公开了一种机床动态精度的获取方法，包括以下步骤：S1利用三维建模软件建立机床三维实体模型；S2利用S1中所述三维实体模型分别建立有限元模型和动力学模型；S3对S2中得到的有限元模型和动力学模型进行优化，直到有限元模型和动力学模型的仿真结果与实验测试一致；S4将S3中有限元模型输入到S3中动力学模型中，得到优化的动力学模型；S5在S4中得到的优化的动力学模型中，以实际的不同加工状态下的参数为输入，进行仿真，得到不同加工状态下动态精度。利用该方法获取机床动态精度简便易行，经济可靠。
【专利说明】一种机床动态精度的获取方法
【技术领域】
[0001]本发明属于机械仿真与测试领域，更具体地，涉及一种机床动态精度的获取方法。
【背景技术】
[0002]机床精度分为机床动态精度和机床静态精度，机床的动态精度是与静态精度相对的，静态精度通常都是在没有切削载荷以及机床不运动或运动速度很低的情况下的精度，静态精度只能在一定程度上反映机床的加工精度。因为机床在实际工作状态下，还有一系列因素会影响加工精度，例如，由于切削力、夹紧力等的作用，机床的零、部件会产生弹性变形；在机床内部热源，如电动机、液压传动装置的发热，齿轮、轴承、导轨等的摩擦发热以及环境温度变化的影响下，机床零、部件将产生热变形；由于切削力和运动速度的影响，机床会产生振动，机床运动部件以工作状态的速度运动时，由于相对滑动面之间的油膜以及其他因素的影响均会造成其精度变化。因此，机床的动态精度即为机床在载荷、温升、振动等作用下的精度。
[0003]在实际生产中，为了保证被加工件精度，首先必须保证机床自身有很好的动态精度，因为机床的动态精度决定着工件的尺寸精度。
[0004]申请公布号为CN102009369A的中国专利公开了一种数控机床动态定位精度数据采集系统，该系统通过光栅尺采集信号、数据处理装置对信号进行处理的方式实现实时检测机床位置的变化，从而获得机床的动态精度。申请公布号为CN103273379A中国专利公开了一种多轴联动双摆头数控铣床C轴联动精度的检测方法，这种方法是将标准球头安装到机床主轴上，打开机床RTCP运动模式，通过采集不同角度下球头与测头的位移偏差而获取机床动态精度。在以上两种动态精度的获取方法中，都需要特定的检测装置来完成，准备和布置检测装置需要耗费较长时间，测量的过程复杂，需消耗大量时间和人力，且该种检测方法使得对机床的结构进行优化升级时，需要实际加工出被优化的零件结构，并安装在机床上，才能检测其动态精度，费时费力。
【发明内容】
[0005]针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种机床动态精度的获取方法，其目的在于提供一种将实验测试和软件仿真结合的方法，可方便快捷的获取机床的动态精度，由此解决传统方法获得机床动态精度时需要特定的检测装置，且耗费大量时间和精力的问题。
[0006]为实现上述目的，提供了一种机床动态精度的获取方法，其特征在于，包括以下步骤:
[0007]S1:利用三维建模软件建立机床三维实体模型；
[0008]S2:利用SI中所述三维实体模型分别建立有限元模型和动力学模型；
[0009]S3:对S2中得到的有限元模型和动力学模型进行优化，其中，以模态实验测试得到的动态特性参数为判断依据，对有限元模型的输入参数进行反复设定并进行仿真，直到有限元模型的仿真结果与实验测试结果一致，以动态精度测试得到的实测的动态精度为判断依据，对动力学模型的输入参数进行反复设定并进行仿真，直到动力学模型的仿真结果与实验测试结果一致；
[0010]S4:将S3中得到的有限元模型输入到S3中得到的动力学模型中，得到优化的动力学模型；
[0011]S5:在S4中得到的优化的动力学模型中，以不同的实际加工状态下的参数为输入，进行仿真，获得到机床不同加工状态下动态精度。
[0012]进一步的，所述步骤SI中，其特征在于，所述的三维建模软件包括PRO/E、UG、Solidfforks中的一种或者。
[0013]进一步的,所述步骤S2中，所述的有限元软件包括Nastran、Ansys、Abaqus中一种或者几种。
[0014]进一步的,所述步骤S2中，所述的动力学软件包括dytran、adams、RecurDyn中一种或者多种。
[0015]进一步的，所述步骤S2中，建立机床有限元模型和动力学模型中，包括定义各零部件的相关属性和参数，有限元模型需设置的属性和参数包括材料属性、结合部参数和边界条件；动力学模型需设置的属性及参数包括材料属性、结合部参数、边界条件以及激励。
[0016]进一步的，所述步骤S3中，对有限元模型的输入参数进行反复设定和仿真前，对三维模型进行前处理，前处理工具包括patran、hypermesh、workbench中一种或者多种，前处理的作用为获取较高的网格质量，从而使有限元计算结果更为准确。
[0017]进一步的，所述步骤S3中，所述模态实验测试需要利用动态特性测试软件建立的测试模型。
[0018]本发明中，建立有限元模型中，依据实际对机床进行的实验得到的动态特性参数为依据，对有限元模型的输入参数进行反复修正，每一次修正后均进行仿真，仿真后同样得到动态特性参数，对比实测的动态特性参数和仿真后动态特性参数，进一步修正输入参数，直到使有限元软件仿真的结果与实测的动态特性参数一致，当两者一致时候，认为此时设置的参数为较优化参数，该较优化参数下的有限元模型即为较优化的有限元模型。
[0019]本发明中，建立动力学模型中，依据实际对机床进行的实验得到的动态精度为依据，对动力学模型的输入参数进行反复修正，每一次修正后均进行仿真，仿真后同样得到动态精度，对比实测的动态精度和仿真后动态精度，以进一步修正输入参数，直到动力学软件仿真的结果与实测的动态精度一致，当两者一致时候，认为此时设置的参数为较优化参数，该较优化参数下的动力学模型即为较优化的动力学模型。
[0020]将较优化的有限元模型输入到较优化的动力学模型中，得到优化的动力学模型，即将较优化的有限元模型和较优化的动力学模型结合，实质是将两种模型中的各种较优化的参数进行了结合，得到优化的动力学模型，以不同加工状态下参数作为优化的动力学模型的输入，进行仿真，即可得到不同加工状态下的动态精度。
[0021]总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得以下有益效果:
[0022]1、本发明中，以实测的动态特性参数为判断依据对有限元模型进行反复修正，且以机床实测的动态精度为判断依据对动力学模型进行反复修正，然后将有限元模型与动力学模型进行结合，得到优化动力学模型，该模型的各种参数接近实际状况，在此模型中进行仿真，得到机床的动态精度即为机床实际工作时的动态精度，该方法准确可靠。
[0023]2、本发明采用实验测试与仿真进行结合的方法得到机床的动态精度，将实验测试软件、有限元软件、动力学软件综合运用，充分发挥各个软件的优势，使获取机床动态精度的过程方便快捷，经济易行。
【专利附图】
【附图说明】
[0024]图1是本实施例中动态精度获取方法的流程框图；
[0025]图2是本实施例中动态精度获取方法的原理框图。
【具体实施方式】
[0026]为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
[0027]本实施例中以坐标镗床为例进行说明，但不限于坐标镗床。坐标镗床是具有精密坐标定位的、用于加工高精度孔或孔系的一种镗床。在坐标镗床上可进行钻孔、扩孔、铰孔、铣削、精密刻线和精密划线等工作，也可作孔距和轮廓尺寸的精密测量，是一种用途较广泛的高精度机床，本实施例中坐标镗床的型号为TGK46100。本实施例中，坐标镗床的动态精度即为其重复定位精度。
[0028]图1是本实施例中动态精度获取方法的流程框图，其中，本实施例中对镗床动态精度的获取方法为:
[0029]S1:利用三维建模软件PR0/E建立坐标镗床三维实体模型。
[0030]S2:分别将三维模型导入到有限元分析软件和动力学分析软件中，分别建立有限元模型和动力学模型。
[0031]一方面，先将三维模型导入有限元前处理软件Hypermesh中进行前处理，接着建立有限元模型。具体为，根据经验及镗床实际大小确定合适的网格大小，对于型号为TGK46100的镗床，在Hypermesh软件中网格大小为边长20mm的立方体，并按该网格大小对整个模型进行网格划分，根据常用的对结合部的参数的处理方法确定机床各个结合部参数并在Hypermesh软件中进行参数设置，其中螺栓联接用刚性联接模拟，轴承联接用弹簧模拟，弹簧刚度根据赫兹理论和轴承的实际材料参数计算得出。同时，根据镗床各个部件的实际材料、固定方式等设置有限元模型的材料参数、边界条件，其中，机床床身材料为铸铁，主轴材料为38CrMoAlA，由于机床被固定在地面，故边界条件即固定于大地。最后,将前处理完成的有限元模型导入有限元软件NASTRAN中，进行仿真。
[0032]另一方面，将三维模型导入动力学软件Recurdyn中，建立动力学模型。根据实际镗床结构特征设置结合部类型、驱动类型，该软件中，各个结合部都有对应的结合部模型可供调用，如:螺栓就选择螺栓模型，轴承就选择轴承模型，镗床主轴为电机驱动，故直接根据电机特性设置驱动函数即可。确定了各个结合部结合类型和驱动类型后，即完成了动力学模型的建立。
[0033]S3:对有限元模型和动力学模型进行优化。分别对机床进行模态实验测试和动态精度测试，一方面，以模态实验测试结果为判断依据，对有限元模型的输入参数进行反复设定并进行仿真，直到有限元模型的仿真结果与实验测试结果一致，另一方面，以动态精度测试结果为判断依据，对动力学模型的输入参数进行反复设定并进行仿真，直到动力学模型的仿真结果与实验测试结果一致。
[0034]具体为:一方面，首先通过有限元的模态仿真分析得到镗床的动态特性，其中前三阶模态频率和振型分别为21.1Hz (立柱部件的扭转)、89.5Hz (床身部件的弯曲)和133.1Hz (立柱部件扭转、床身弯曲和工作台部件的扭转变形)。运用动态特性测试系统LMS对镗床进行模态实验测试，激励点选择主轴端部，得到其实测的动态特性，其中实测的前三阶模态频率和振型分别为31.8Hz (立柱部件的扭转)、103.5Hz (床身部件的弯曲)和150.1Hz (立柱部件扭转、床身弯曲和工作台部件的扭转变形)。对比仿真与实验的结果，对有限元模型进行修正，即综合实验结果和仿真结果，对结合部参数进行更改和完善并综合考虑网格的划分个数是否需要增加以及网格类型是否需要变更，本实施例中将适当增大模拟轴承的弹簧的刚度，再进行仿真，将得到的模态频率和振型与实测结果再进行对比，如此反复，直到得到的模态频率和振型与实际情况比较相符，即认为此时设定结合部参数为优化参数，在优化参数下的模型即为优化模型。
[0035]并将有限元仿真结果导出为所使用的动力学软件能够识别的文件类型，具体在recurdyn软件中即为*.rst文件。
[0036]另一方面，对镗床进行低速、中速状态下的重复定位实验测试，得到其实测的重复定位精度，该测量方法参照GB/T17421.2-2000镗床重复定位精度进行检测的方法，使镗床主轴在空载状态下分别快速对各个设定的目标位置从正、负两个方向趋近，进行五次定位，测出正、负向每次定位时运动部件的位置偏差，其中该实验中五次的来回往复位置偏差分别为 0.0035(0.0003)mm、0.0033(-0.0005)mm、0.0031(-0.0006)mm、0.0037(0.0002)mm、
0.0034(-0.0006) mm (目标位置距离为 353.834mm)。
[0037]将重复定位精度检测实验时的电机转速作为动力学仿真的运动输入，进行运动学仿真，得到重复定位精度的位置偏差为0.0056 (0.0015) mm、0.0054 (-0.0017) mm、
0.0042 (-0.0018)mm、0.0052(0.0014)mm、0.0048 (-0.0018)mm。发现仿真结果与实验结果存在较大差别，对引起这种差别的因素进行分析，设置动力学模型中各个结合部的参数，其中导轨结合部的参数为0.0002mm。再次仿真并与实验结果对比，并进一步修改参数，如此反复，直到仿真结果与实验结果一致，认为此时的各个结合部参数为优化参数，该参数下的模型即为优化模型。
[0038]S4:将S3中得到的有限元模型输入到S3中得到的动力学模型中，得到优化的动力学模型。
[0039]S5:在S4中得到的优化的动力学模型中，以不同加工状态下的参数为输入，进行仿真，输出得到机床不同加工状态下动态精度。具体为，分别根据实际加工过程中不同主轴电机转速、主轴端部受力状态对动力学模型施加驱动和受力，其中主轴转速为3000r/min，主轴端部受力情况为623N，以模拟在10块相同规格的Q235板材表面加工间距为1cm的且处于一条直线上5个螺纹孔的工作状态，利用刚柔耦合动力学分析得出该加工状态下镗床的重复定位精度，其重复定位精度为0.0156(0.0095)mm、0.0134(-0.0057)mm、0.0142(-0.0058) mm、0.0082(0.0044) mm、0.0058(-0.0038) mm。这样，就通过仿真结合实验的方法，得到了该加工状态下坐标镗床的动态精度，而不用设置复杂的装置进行实验测量，且该加工状态下仿真得到的动态精度与最终实际加工状态下的动态精度相一致。
[0040]本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
【权利要求】
1.一种机床动态精度的获取方法，其特征在于，包括以下步骤: S1:利用三维建模软件建立机床三维实体模型； 52:利用SI中所述三维实体模型分别建立有限元模型和动力学模型； 53:对S2中得到的有限元模型和动力学模型进行优化，其中，以模态实验测试得到的动态特性参数为判断依据，对有限元模型的输入参数进行反复设定并进行仿真，直到有限元模型的仿真结果与实验测试结果一致，以动态精度测试得到的实测的动态精度为判断依据，对动力学模型的输入参数进行反复设定并进行仿真，直到动力学模型的仿真结果与实验测试结果一致； S4:将S3中得到的有限元模型输入到S3中得到的动力学模型中，得到优化的动力学模型； S5:在S4中得到的优化的动力学模型中，以不同的实际加工状态下的参数为输入，进行仿真，获得到机床不同加工状态下动态精度。
2.如权利要求1所述的一种机床动态精度的获取方法，其特征在于，所述步骤S2中，建立机床有限元模型和动力学模型中，包括定义各零部件的相关属性和参数，有限元模型需设置的属性和参数包括材料属性、结合部参数和边界条件；动力学模型需设置的属性及参数包括材料属性、结合部参数、边界条件以及激励。
3.如权利要求1或2所述的一种机床动态精度的获取方法，其特征在于，所述步骤S3中，对有限元模型进行优化前，先对三维模型进行前处理，前处理的作用是获取较高的网格质量，从而使有限元计算结果准确。
4.如权利要求1-3之一所述的一种机床动态精度的获取方法，其特征在于，所述步骤S3中，所述模态实验测试利用动态特性测试软件建立的测试模型。
【文档编号】G06F17/50GK104050317SQ201410253550
【公开日】2014年9月17日 申请日期:2014年6月10日 优先权日:2014年6月10日
【发明者】毛宽民, 李斌, 童黎骏 申请人:华中科技大学