一种机床设计方法 【技术领域】
本发明涉及机床设计领域，尤其涉及一种改进了的机床设计方法。
背景技术
PCB(印刷电路板)板钻、铣机等高精数控机床是一种现代工业电子装备，其涉及到精密制造技术、自动控制技术、信息处理、传输等，具有高速、高精密等特点。此类高速、高精密机床机械本体有如下的结构特点：1、传动、定位精准；2、惯量小、刚度高、振动小。在传统设计中，这种机床的设计强调零部件尺寸的设计、选型、校核，仅仅注重了结构空间位置设计，其余性能要求是否能达到要求，主要是依靠设计师自身的经验，没有非常好的评价指标，设计过程不够科学合理。
【发明内容】
本发明的目的是提供一种机床设计方法，旨在解决现有的机床设计方法不够科学合理地缺陷。
本发明提供的机床设计方法包括以下步骤：
步骤a，根据零件机加工艺和装配工艺，建立机床物理模型；
步骤b，对物理模型施加驱动信号，测量平台动态精度；
步骤c，将物理模型转化为数学模型并求解；
步骤d，对参数进行分析并以此对机床设计进行优化。
更具体的，所述执行步骤a进一步包括：
步骤a1，建立机床三维数字化装配模型；
步骤a2，利用动力学软件系统建立机床物理模型。
更具体的，所述步骤d进一步包括对空间分布尺寸参数以及对柔性连接刚度参数进行分析。
更具体的，所述步骤a中的物理模型为y向运动物理模型。
更具体的，所述步骤a中采用Adams软件建立机床物理模型。
本发明提供的机床设计方法是利用动力学技术，直接以机床动态性能表现为评价指标，确定影响机床运动性能的多种运动功能元器件的性能参数和组合方式，如运动件导轨、滑块副、丝杆、螺纹副性能参数如何选取；两种运动功能件如何空间布局和组合使机床运行达到良好平稳性要求。此外，本发明具有较好的通用性，能够分析机床其它功能部件，并确定在功能部件装配时，由装配参数不同而引发机床不同的动态表现，根据机床动态表现优化设计装配参数。本发明提出的机床设计方法直接以机床动态性能为评价目标，以刚体动力学计算为分析手段，以运动功能元件组合性能参数为分析优化对象，具有目标明确、手段合理、分析便捷的优点。
【附图说明】
图1是本发明机床设计方法的流程图；
图2是本发明涉及的动力学模型求解过程示意图；
图3是导轨、丝杆分布尺寸参数设置示意图；
图4图5是针对图3的曲线分析图。
【具体实施方式】
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。
本发明提供的机床设计方法是利用动力学分析手段，确定机床运动功能件的性能参数和组合状态，使得机床动力机构能平稳运行，机床由驱动部分移动惯量所应起的结构振动达到最小。
本发明的较佳实施例是在计算机内建立数控机床动力学模型，以动力学模型在驱动力作用下的动态性能表现(机床运动轨迹)为评价依据，设计和优化运动功能元器件的参数和位置布局，利用现代动力学设计方法选型、安装和布局运动功能元器件，使其达到性能最优化，最大限度提高运动平台的动态精度。参见图1中所示，本发明提供的机床设计方法具体包括以下步骤：
步骤11，根据零件机加工艺和装配工艺，建立机床物理模型(y向运动物理模型)，具体步骤如下：
步骤111，建立机床三维数字化装配模型。数字化模型包括完整零部件几何信息、零部件相对空间位置信息、零部件材料信息等。数字化模型与实物具有一致的外形尺寸，根据实物材质添加质量属性，含有质量信息的数模在重量、质心位置、惯量等物理特性方面与实物保持一致。数字化模型按机加和装配工艺在软件环境中完成虚拟装配，装配后模型需要检查零部件相互位置关系、有无设计缺陷，是否存在相互干涉现象、整机重量是否符合要求等内容。
步骤112，利用动力学软件(Adams软件)系统建立机床物理模型。建立机床物理模型就是要确定机床多刚体动力学模型，在Adams软件中为上述数字化模型设置各类运动铰，如圆柱副、旋转副、移动副、平面副、螺纹副等，添加运动铰后的动力学模型可以实现运动学仿真。设置完成机床运动约束后，在模型需要处设置柔性联接，增加力元和外力等要素，力元大小、方向按实际装配工艺添加。力元设置完成后，机床动力学模型已基本建立。
设置数字化模型各类运动副和添加力元后，可在滑块、导轨和丝杆、螺母等关键运动功能件部分设置两类可变参数：第一类是空间分布尺寸参数；第二类是柔性连接刚度参数。设置运动功能件空间布置参数，并对该参数进行调整，使整个模型能最大程度减少由于尺寸设计不合理所带来的驱动偏心，负载结构不对称等问题而引发的机构运动偏差。运动功能件设置完空间参数后，动力学模型采用笛卡尔方法进行数学建模，一般表达式为
Ψ为系统约束方程；λ为拉格朗日乘子；M，Q为质量对角矩阵和广义列阵。
利用动力学软件设置运动功能件的柔性连接参数，如滑块与工作台柔性连接、螺母座与工作台连接；设置柔性连接参数时，反应了物体与物体之间相互作用力与力矩的真实关系；当工作平台高速运动过程中，由于连接松紧程度不同而导致零部件之间相互作用力大小和方向发生变化，平台动态轨迹表现也就不同；当整体运动系统不存在柔性连接时，平台运动仅仅是理想轨迹曲线，并未能表现出真实运动状态，如系统振动、指令跟随性和运动平稳性。利用动力学软件(Adams)对运动功能部件柔性连接进行参数设置和调整是核心技术之一，参数的设置和调节反应真实装配工艺。
步骤12，对物理模型施加驱动信号，测量平台动态精度。施加驱动后的物理模型，在工作平台设置拾取点，作为平台动态精度测量点。平台在驱动力作用下按指令轨迹运行，测量点真实运行轨迹便是机床平台的动态精度曲线。
由于运动功能件存在位置参数和柔性连接参数，调节两种参数值直接决定该条曲线变化走势，该曲线变化趋势作为评价参数调节好与坏的标准。
步骤13，将物理模型转化为数学模型并求解。物理模型添加驱动信号后，在动力学软件中转换为数学模型，再由Adams调用相应的求解器对所述数学模型进行求解，形成上述平台运动轨迹曲线，动力学模型求解过程如下图2所示：根据动力学模型生成偏微分代数方程，通常该类方程涉及到高阶非线性，需要经过牛顿-拉斐逊方法进行线性化，并进行高阶消元方可求解。
步骤14，对动力学模型参数进行分析并以此为依据对机床设计进行优化。例如，对空间分布尺寸参数进行分析(如图3、图4、图5所示)
图3是导轨、丝杆分布尺寸参数设置示意图，其包括工作台30、转接座31、滑块32、导轨33，图4、图5是分析曲线，分析得知，丝杠中心与工作台30的台面垂直距离越大，偏差也就越明显，对工作台30的定位精度影响也就越大，所以在设计过程中，应尽量将驱动设置在负载中心点上，以减小定位精度偏差；结合实际设计情况，滑块32到工作台30中点位置与滑块32跟导轨33结合面之间的设计空间应当作为丝杠较理想的摆放位置，参数值取0-30mm之间较合理。
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，例如本发明不仅仅局限于应用在PCB数控钻孔机床中，还可以应用于其他类型的机床。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。