[发明专利]一种五轴机床的刚度场半解析构建方法

说明书

本发明公开了一种五轴机床的刚度场半解析构建方法，首先将整个机床加工系统分为刀具子系统和运动轴‑主轴‑刀柄子系统两部分，将将其分别等效为变长度梁和变截面悬臂梁，通过静刚度检测实验得到机床加工系统末端的三维综合静柔度S_L1；对静刚度检测实验中所用刀具子系统t'进行理论计算得到该刀具子系统t'的末端三维静柔度S_t'，将刀具子系统从机床加工系统中分离出，得到刀柄‑主轴‑运动轴子系统的三维静柔度S_A，将S_t'和S_A叠加即可得到，实际加工中机床加工系统末端三维静柔度，然后取其逆即可实际加工中机床加工系统末端三维静刚度。本发明计算结果准确，无需每次都进行静刚度测量实验，使得其计算兼具准确性和方便性。

技术领域

本发明属于机械加工领域，涉及一种机床加工刚度解析，具体涉及一种五轴机床的刚度场半解析构建方法。

背景技术

控制零件加工表面误差，提高几何精度是多年来追求的目标。机床加工系统运动链，即“运动轴-主轴-刀柄-刀具”在切削力作用下发生弹性变形离开理想位置，产生刀具偏离。偏离的大小用因运动链受力发生弹性变形后末端(即刀具)的位置变化衡量。通常，刀具子系统是整个加工系统运动链中刚度较弱的环节，其受力变形(即让刀变形)是学者们研究的重点。然而，在很多的工况下，比如大型多轴联动机床等运动轴数目多行程大的机床、超高强度材料工件加工、各部件以异常姿态加工复杂曲面零件等，刀具部件以外的部件的受力变形也变得很为重要。所以，有必要针对多轴联动加工考虑整个传动环节的刚度，得出加工系统的综合刚度，以反映整个工艺系统各个传动部件对刚度的综合影响。

Simaan等通过建立雅可比矩阵，并对雅可比矩阵求导，建立了并联机构刚度矩阵模型，解决了机器人在笛卡尔空间中刚度的控制问题，雅可比矩阵的各阶导数与空间中相应方向的刚度修正相关。

采用雅可比矩阵模型建立机床加工工艺系统刚度模型可以得到工艺系统的刚度解析表达，便于建立机床关节空间与笛卡儿空间之间的速度和力等的映射关系，但该方法仅适用于简单变形条件下的工艺系统刚度场建模。

李殿新等用细化试验和有限元方法对某立式加工中心静刚度进行了研究，通过细化试验不仅测得了机床的三向静刚度，而且测量了主要零件的变形。

有限元模型可反映工艺系统的受力与变形情况，且具有较高的计算精度，但对于多轴加工系统，由于单元节点变量较多，随模型网格的增加，运算的时间成本巨大，而且在系统位形变化后需要重建模型，计算效率难以满足需求，因此，该方法多用于位形简单的运动系统。

闫蓉等用Jacobi和点变换矩阵法建立了多轴加工工艺系统闭链刚度场模型。根据该模型解耦得到三维空间的力椭球，从力椭球提取整体加工系统的刚度性能指标，绘制刚度性能等值线图，分析工作空间中多轴加工系统的刚度特性分布规律。

矩阵位移模型同时包含了单元离散和矩阵组集的思想，能够反映处具有不同位形加工系统的刚度特性，而且它以虚功原理为基础，可较好地诠释加工系统各环节的变形与作用力之间的关系，适用于建立专用机床的刚度模型，难以针对任意结构机床进行刚度场建模。

发明内容

本发明的目的是提供一种五轴机床的刚度场半解析构建方法，解决现有技术中机床难以进行刚度场建模模拟的问题。

为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：

一种五轴机床的刚度场半解析构建方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1、建立主轴竖直型五轴机床静刚度等效模型，将整个机床加工系统分为刀具子系统和运动轴-主轴-刀柄子系统两部分，所述运动轴-主轴-刀柄子系统在静刚度的角度上等效为变长度梁，变长度等效梁为一个圆形的等截面悬臂梁，等截面悬臂梁的固定端安装在机床的基座上，等截面悬臂梁的末端是刀柄和刀具夹持部分的最低点；