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CN109558690B - 基于整机数字化模型的质心驱动机床设计方法 - Google Patents

基于整机数字化模型的质心驱动机床设计方法 Download PDF

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CN109558690B CN201811518177.5A CN201811518177A CN109558690B CN 109558690 B CN109558690 B CN 109558690B CN 201811518177 A CN201811518177 A CN 201811518177A CN 109558690 B CN109558690 B CN 109558690B
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Abstract

本发明涉及一种基于整机数字化模型的质心驱动机床设计方法，其步骤为：步骤一：建立机床设计的准则‑‑‑床身上部结构的质心与床身的质心重合；步骤二：在完成主轴箱、立柱、床身等结构优化设计的基础上，分别计算各部部件的质心位置，采用对称结构，质心前移，改变质量分布措施，使床身及床身上部结构质心重合。本发明建立了机床设计的准则‑‑‑床身上部结构的质心与床身的质量重合，在完成主轴箱、立柱、床身等结构优化设计的基础上，分别计算各部部件的质心位置，采用对称结构，质心前移，改变质量分布等措施，使床身及床身上部结构质心重合，来减小机床振动、提高工件表面加工质量。

Description

基于整机数字化模型的质心驱动机床设计方法
技术领域
本发明涉及一种基于整机数字化模型的机床设计方法，尤其是一种基于整机数字化模型的质心驱动机床设计方法。
背景技术
机床的设计即要考虑各关键功能部件如主轴箱、立柱、床身等结构优化设计，更为重要的是需要对机床的整机质量进行合理的分配。机床结构的整体布局决定了机床的加工特性，特别是床身及床身上部结构的质量分布对机床的动力学特性、加工特性有着重要的影响。
在以往的设计中，机床的结构整体布局往往采用经验设计，在以经验为基础的机床设计研发过程中，经验往往是一把双刃剑，一方面依靠经验和类比可以很快找到创新问题的解，提高设计的效率。但同时也有可能错失实现更大创新的解决方案，进而将经验设计转变为随机性设计。降低了产品创新设计的质量。虽然对质量分配对机床的加工性能的影响有了一定的认识，但是缺少了设计准则。各关键功能部件的质量分配考虑很少。需要通过大量实验对测试样机进行实验研究后再提出质量分配的改进方案。上述的设计过程往复多次后，最终定型。虽然在设计时已经了解质量分布对机床的动力学特性设计具有重要的影响，但是缺少合理的设计准则和设计方法。
从理论上而言，当驱动力作用的位置不在物体的质心位置时，就会出现一个扭转力矩，使物体发生转动或振动等不稳定的现象，若作用力一定时，力的作用位置与物体质心位置的距离越远，这个扭转力矩就会越大，物体发生转动或振动的现象就会越明显；当力作用的位置刚好在质心位置时，就不会出现扭转力矩，此时物体只会沿着导轨稳定地做直线运动。
因此，可以看出在机床设计之初，如果能对机床的整体布局方案给出设计准则和设计方法，将经验设计变为有有序设计将大大降低机床的设计成本，提高机床的质量和加工性能。在机床的设计开发领域具有非常重要的现实意义。
发明内容
在对已有量产机床统计的基础上，本发明提出了一种基于整机数字化模型的质心驱动机床设计方法，该方法建立了机床在布局设计上的准则---床身上部结构的质心与床身的质心重合。
本发明的技术方案如下：
一种基于整机数字化模型的质心驱动机床设计方法，其步骤为：
步骤一：根据机床动力学特性，对机床的主要功能部件，包括床身、工作台、立柱、主轴箱进行动力学优化初步设计；
步骤二：在完成主轴箱、立柱、床身结构优化设计的基础上，分别计算各功能部件的质量及质心位置分布，并令床身的质量为M1，立柱的质量为M2，主轴箱及主轴的质量为M3，工作台的质量为M4；d1,d2,d3和d4分别为床身、立柱、主轴箱及主轴、工作台的质心到机床结构整体质心的距离；
步骤三：分别计算各功能部件对机床结构整体质心产生的力矩M1×d1,M2×d2,M3×d3,M4×d4的值；
步骤四：根据布局设计上的准则---床身上部结构的质心与床身的质心重合，可以得到机床的整体布局应该满足：M1×d1＝M2×d2+M3×d3+M4×d4，对已有初步设计进行质量分配比系数计算：
η＝[M1×d1-(M2×d2+M3×d3+M4×d4)]/(M1+M2+M3+M4)；
步骤五：当质量分配比系数小于0.5％，则满足设计要求；否则，采用对称结构，质心前移，改变质量分布措施，使床身及床身上部结构质心重合，来减小机床振动、提高工件表面加工质量。
本发明与现有技术相比，具有以下优点及突出的有益效果：
本发明建立了机床设计的准则---床身上部结构的质心与床身的质量重合。在完成主轴箱、立柱、床身等结构优化设计的基础上，分别计算各部部件的质心位置，采用对称结构，质心前移，改变质量分布等措施，通过使床身及床身上部结构质心重合，减小机床振动、提高工件表面加工质量。该技术也是实现机床三点支撑的关键技术。
附图说明
图1为床身、立柱、主轴箱及主轴、工作台的质心到机床结构整体质心的距离示意图。
具体实施方式
下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。
本发明的基于整机数字化模型的质心驱动机床设计方法，其步骤为：
步骤一：根据机床动力学特性，对机床的主要功能部件，包括床身、工作台、立柱、主轴箱进行动力学优化初步设计；
步骤二：在完成主轴箱、立柱、床身等结构优化设计的基础上，分别计算各功能部件的质量及质心位置分布，并令床身的质量为M1，立柱的质量为M2，主轴箱及主轴的质量为M3，工作台的质量为M4；d1,d2,d3和d4分别为床身、立柱、主轴箱及主轴、工作台的质心到机床结构整体质心的距离(见图1)；
步骤三：分别计算各功能部件对机床结构整体质心产生的力矩M1×d1,M2×d2,M3×d3,M4×d4的值；
步骤四：根据布局设计上的准则---床身上部结构的质心与床身的质心重合，可以得到机床的整体布局应该满足：M1×d1＝M2×d2+M3×d3+M4×d4，对已有初步设计进行质量分配比系数计算：
η＝[M1×d1-(M2×d2+M3×d3+M4×d4)]/(M1+M2+M3+M4)；
步骤五：当质量分配比系数小于0.5％，则满足设计要求；否则，采用对称结构，质心前移，改变质量分布等措施，使床身及床身上部结构质心重合，来减小机床振动、提高工件表面加工质量。
本发明建立了一种基于整机数字化模型的质心驱动机床设计技术方法，将在机床的设计之初，给出机床整体布局方案的设计准则。将经验设计变为有有序设计将大大降低机床的设计成本，提高机床的质量和加工性能。在机床的设计开发领域具有非常重要的现实意义。

Claims (1)

1.一种基于整机数字化模型的质心驱动机床设计方法，其特征在于，其步骤为：
步骤一：根据机床动力学特性，对机床的主要功能部件，包括床身、工作台、立柱、主轴箱进行动力学优化初步设计；
步骤二：在完成主轴箱、立柱、床身结构优化设计的基础上，分别计算各功能部件的质量及质心位置分布，并令床身的质量为M1，立柱的质量为M2，主轴箱及主轴的质量为M3，工作台的质量为M4；d1,d2,d3和d4分别为床身、立柱、主轴箱及主轴、工作台的质心到机床结构整体质心的距离；
步骤三：分别计算各功能部件对机床结构整体质心产生的力矩M1×d1,M2×d2,M3×d3,M4×d4的值；
步骤四：根据布局设计上的准则---床身上部结构的质心与床身的质心重合，可以得到机床的整体布局应该满足：M1×d1＝M2×d2+M3×d3+M4×d4，对已有初步设计进行质量分配比系数计算：
η＝[M1×d1-(M2×d2+M3×d3+M4×d4)]/(M1+M2+M3+M4)；
步骤五：当质量分配比系数η小于0.5％，则满足设计要求，否则，采用对称结构，质心前移，改变质量分布措施，使床身及床身上部结构质心重合，来减小机床振动、提高工件表面加工质量。
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