[发明专利]气脚支撑工作台的设计方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种工作台设计方法，尤其涉及一种气脚支撑工作台的设计方法。

背景技术

在流水作业的大工业生产中，能够提高加工生产效率的多轴数控钻机是当今数控钻机的潮流以及发展的趋势。而对于多轴同步钻孔技术，基本上都面对同一个难题——就是工作台跨距很长。由于长跨距导致主导轨滑块定位后两侧存在长悬出段，此处机械强度不足，极易起振。目前，广泛使用的解决方案分为两种：用四导轨来代替经典的双导轨架构，即在悬出段下方增加一对与主导轨平行的副导轨以起支撑作用；另外一种方法就是用气脚来代替副导轨，通常使用四个气脚对称支撑在工作台长方形底面的四个角落，也存在使用四个以上(比如八个)气脚来辅助支撑的个案。

虽然四导轨技术能够很好的解决跨距大带来的难题，但是在实际使用中四导轨很容易引发运动性能方面的缺陷。这是因为四导轨的理想平行状态，以及导轨滑块受力的均匀分配非常难实现。这就很容易导致工作台在导轨间滑行产生相互干涉和受力不均，从而影响运动性能和导轨滑块寿命。更进一步，使用四导轨无疑带来了额外的组装和维护成本。

因此，现在的工作台大都采用使用气脚来代替副导轨的设计方案。图1所示为现有六轴数控钻机气脚支撑工作台的结构示意图，其具有6个钻头1，因此其工作台3的跨距很长，其采用了经典的双导轨架构，工作台3的中部对称设置了两个导轨2，导轨2两侧均为滑块连接区4，工作台3共有四个滑块连接区4，为了支撑工作台3，在工作台3底面的四个角落设置了四个气脚5(图1中仅显示了其中两个)。使用气脚不单缩减大量成本，而且那些四导轨会遇到的问题都将迎刃而解。气脚的最大特点是无摩擦运动：压缩气体在气脚的小孔和路径中流动，并且最终与外界大气压中和，此过程将在气脚和基准面间形成一股“气膜”，从而使被支撑物悬浮起来并且能够基本消除与基准面间相对运动的摩擦力。因此，工作台可以沿用经典的双导轨设计，配合气脚的辅助支撑达到预期目的及效果。

然而，气脚的应用并不是这么简单、直观——比如行业内大部分设计人员和装配人员都认为就是设置双导轨，然后用气脚把悬出部分支撑起来达到滑块支撑部位的水平高度，片面的认为这样做工作台的精度就达到了。但是，调平的目的其实不是为了水平度，而是在于整个工作台刚度的均匀化。精度的保证不是初装静态的平直程度，而是工作台在工作过程中维持精度的能力，也就是说工作台的整体刚度和抗振能力是至关重要的。实际应用中，气脚的支撑位置和参数选择都深刻影响着工作台的整体性能。因此，亟需一种可靠的设计方法来保证气脚符合需求。

发明内容

因此，本发明的目的在于在使用气脚支撑的双导轨工作台的设计中，借助于有限元理论有效的优化气脚的支撑位置和相关参数，完成合适的气脚设计，以保证此类工作台达到设计要求的机械性能和稳定性。

为实现上述目的，本发明提供一种气脚支撑工作台的设计方法，该工作台中心对称，其中部设有双导轨及其配套滑块，其包括步骤：

A1、确定有限元模型：根据工作台建立相应实心长方体的几何形态，对所述几何形态进行实体网格划分形成实体单元，将材料属性定义给所述实体单元，根据工作台的实际情况确定所述实体单元的质量分布形成有限元模型；

A2、确定气脚位置：改变气脚与对称中心的距离采样一组有限元模型，通过对所述有限元模型分别进行静力学分析，取其中变形分布最均匀的模型为此采样组最优化模型，反复上述获取每个采样组最优化模型的步骤以获取更优化的模型至获取符合精度需求的气脚位置；

A3、确定气脚刚度：根据工作台的具体形态建立有限元模型，用等刚度值的弹簧单元取代所述有限元模型的刚性边界条件，在所述获取的有限元模型气脚位置处通过改变弹簧的刚度进行气脚的模态分析，通过所述模态分析获取气脚刚度的上限和下限；

A4、确定气脚预载：对所述有限元模型进行静力学分析，获取气脚支撑处等效弹簧的总反力。

其中，所述材料属性包括材料的密度，其采用该长方体的等效材料密度ρ代替实际的材料密度，该等效密度ρ的计算公式：ρ＝(M₀—M_点)/V，

式中，

M₀为工作台的总质量；

M_点为几何模型中添加质量点的总质量；

V为长方体的体积。