[发明专利]一种由基础均匀沉降变形引起机床刀尖点位姿变化的计算方法

说明书

本发明公开了一种由基础均匀沉降变形引起机床刀尖点位姿变化的计算方法，属于重型数控机床加工精度的领域。本发明的核心是在基础混凝土徐变理论的基础上，对弹性模量进行修正，得到不同时段调整龄期的有效模量，分别代入Workbench模型中，进而得出基础混凝土在不同时段下的沉降变形，建立基础沉降变形的预测模型；根据重型机床的载荷分布和拓扑结构，将重型数控机床简化成二维模型，机床的零部件简化成平面梁单元和接触单元，建立以节点位移为未知量的线性方程组，依据基础沉降变形的预测模型，确定基础均匀沉降值为边界位移约束，将工况下的切削力转化为节点载荷，计算出工况下机床刀尖点的位姿变化。本发明计算相对简单，节省时间成本。

技术领域

本发明属于重型数控机床加工精度领域，特别是涉及一种由基础均匀沉降变形引起机床刀尖点位姿变化的计算方法。

背景技术

重型数控机床制造技术是高新技术发展的基础，未来高端精密制造技术的前进方向，重型数控机床的发展水平往往能够体现一个国家的工业发展水平。重型数控机床具有重量大、载荷大和尺度大等突出特点，其加工精度主要受关键部件自重、地基基础沉降变形等因素的影响。特别地，当地基基础发生沉降变形时，会对机床造成一定的影响，机床的加工精度就很难得到保证，从而造成不可预估的经济损失，因此研究基础沉降变形和机床刀尖点位姿变化之间的影响规律是很有必要的。对重型数控机床整体建模分析，得到工况下，地基基础变形引起机床刀尖点位姿变化的规律，可以加强机床加工精度的改进措施，提高加工质量，保证重型数控机床在服役期间的加工精度。

发明内容

本发明的目的是根据重型数控机床大自重、大载荷的特点，针对地基基础沉降变形引起的机床加工精度问题进行研究，提出了一种由基础均匀沉降变形引起机床刀尖点位姿变化的计算方法。根据机床基础混凝土的徐变特性，求出地基基础在不同时段的沉降变形量，得到基础沉降变形的预测模型。由于地基基础变形引起机床加工精度误差主要体现在竖直方向上，将重型数控机床简化为二维平面模型，把重型数控机床的各零部件考虑成平面梁单元和接触单元，列出结构的位移列阵、载荷列阵和总刚度矩阵，根据它们之间的关系，建立以节点位移为未知量的线性方程组。最后根据基础沉降变形预测模型，确定基础沉降值作为边界位移约束，工况下的机床切削力为外部载荷，计算工况下机床刀尖点的位姿变化，为重型数控机床的加工精度调节做出理论指导。

为了实现上述目的，本发明建立了基础沉降变形的预测模型，提出一种由基础均匀沉降变形引起机床刀尖点位姿变化的计算方法，主要流程图如图1所示，包括如下步骤：

步骤(1)：根据机床基础混凝土的徐变特性，将弹性模量引入混凝土等效模量的计算公式，并加入龄期调整系数，计算调整龄期的等效模量。

步骤(2)：将计算得出的基础混凝土在不同时间段下的有效模量，带入到Workbench分析模型中，得到地基基础不同时段下的沉降变形情况，并得到基础沉降变形的预测模型，协助机床后期的精度调节。

步骤(3)：根据重型机床的拓扑结构，简化机床模型。上部机床结构中的倒角、小厚度部件、地脚螺栓等因素件对地基承载变形的影响可以忽略不计，故可以去除。

步骤(4)：结构离散化，把上部机床结构及地基基础划分成若干个平面梁单元和接触单元。各平面梁单元轴线之间的交点称为节点，把所有的节点和梁单元按照顺序进行编号。

步骤(5)：根据平面梁单元的单元刚度矩阵和接触单元的单元刚度矩阵，计算得出各个单元的单元刚度矩阵。

步骤(6)：通过单元和节点的编号，组集总体刚度矩阵。

步骤(7)：将重型龙门机床工况下的机床切削力等效成外部载荷施，施加到单元节点上，如果原载荷不是节点载荷，可以通过静力等效原则转化成等效节点载荷。

步骤(8)：根据基础沉降变形的预测模型，得到地基基础的沉降值。将地基基础的均匀沉降作为边界位移约束，形成总体刚度矩阵、节点未知位移和节点载荷之间的线性或者非线性方程。