一種工具機運動平臺結構設計方法
2023-10-05 19:21:29 1
專利名稱：一種工具機運動平臺結構設計方法
技術領域：
本發明涉及工具機設計領域，尤其涉及一種工具機運動平臺結構的設計方法。
背景技術：
工具機結構的動態特性是指工具機結構系統能否滿足高精度、高效率和高穩定 性加工的要求，而工具機的動態性能測試則是分析工具機動態特性的首要環節，典 型的，工具機結構系統的振動測試是非常重要的動態性能測試內容，振動測試能 夠能真實、充分地再現並揭示影響工具機實際加工過程的結構動力學本質。振動 測試是通過才莫擬實際工況，進行單點相對激振、多點同時拾振，或者單點相對 激振、依次單點拾振，並獲取識別全部模態參數所需的頻響數據，從而測定機 床結構的動態特性，用測得的模態參數來對工具機的動態特性進行分析、預測、 評價並且為後續的再設計提供指導建議，這是提高工具機整體動態特性的重要步 驟。
發明內容
本發明的目的是提供一種準確、高效、便捷的工具機運動平臺結構設計方法。
本發明提供的工具機運動平臺結構設計方法包括以下步驟 步驟a，對工具機零件和部件才莫態進行分析； 步驟b，進行工具機工作狀態下的振動測試；
步驟c，對比分析模態振型和工作變形數據，找出對工具機動態性能影響較 大的不利才莫態；
步驟d，利用模態修改方法，對零件或部件結構進行修改，抑制不利模態。 進一步的，所述執行步驟d之後進一步執行一步驟e:修改零件和部件結 構後，判斷是否達到設計目標，如果未達到設計目標，則重新執行步驟a。進一步的，所述步驟a進一步包括對工具機運動平臺的主要零件和部件進 行錘擊模態試驗，得到零件和部件的各階模態頻率及其對應的模態振型。
進一步的，所述步驟b進一步包括通過測量平臺各零件和部件的振動響 應，得到工具機平臺零件和部件的工作變形圖。
進一步的，步驟d所述的修改包括修改零件的剛性或重新設計零件的布局。
本發明提供的工具機運動平臺結構設計方法具有以下有益效果
1、 具有通用性，可精準的進行不同部件及裝配體的動態設計。
2、 能夠實時反映零件和部件結合部剛度變化對整機運動性能的影響。
3、 避開了重複試驗的缺點，縮短了設計時間、加快了設計、生產周期。
4、 同傳統的有限元分析方法對比，避免了結構、各結合部連接條件及其等 效動力學參數、阻尼假設、各種邊界條件的近似及簡化，以及近似計算等帶來 的誤差，故所得試驗模型與現有機械結構的實際工況有較高精度的吻合，因而 模型及其動態特性對機械結構的模擬精度較高。本發明具有描述問題準確、模 型修改快速、分析問題便捷等優點，有效的提高設計效率和設計準確性。
圖1是本發明工具機運動平臺結構設計方法的流程圖2是數控鑽孔枳i床的工作檯結構示意圖3是對主要零件和部件進行模態分析得到的各階模態振型圖4是數控鑽孔機工作檯的工作變形示意圖5是改進前後的數控鑽孔機工作檯架模型圖。
具體實施例方式
為了使本發明的目的、技術方案及優點更加清楚明白，以下結合附圖及實 施例，對本發明進行進一步詳細說明。應當理解，此處所描述的具體實施例僅 僅用以解釋本發明，並不用於限定本發明。本發明提供的工具機運動平臺結構設計方法的核心是應用振動分析理論進 行工具機運動平臺結構設計，在計算機內構造工具機運動平臺結構模型，利用振動 測試手段進行模態分析和動態特性分析，針對動態特性出現的問題，利用才莫態 修改方法，重新設計工具機運動平臺的結構件，從而修改結構的動態特性。
參見圖1所示，本發明提供的工具機運動平臺結構設計方法具體包括以下幾
個主要步驟
步驟10，在確定設計目標後，對工具機零件和部件4莫態進行分析。此過程中， 可以對工具機運動平臺的主要零件和部件進行錘擊模態試驗，得到零件和部件的 各階模態頻率及其對應的模態振型。
步驟ll，進行工具機工作狀態下的振動測試，在此過程中，通過測量平臺各 零件和部件的振動響應，得到工具機平臺零件和部件的工作變形圖。
步驟12，對比分祈，莫態振型和工作變形數據，找出對工具機動態性能影響較 大的不利才莫態。
步驟13，利用模態修改方法，修改零件的剛性或重新設計零件的布局，達 到抑制不利^^態的目的。
步驟14，修改零件和部件結構後，判斷是否達到設計目標，如果未達到設 計目標，則進入步驟IO，重新進行以上測試及分析，如果已經達到設計目標， 則設計完畢。
以下以PCB (印製電路板)數控鑽孔工具機為較佳實施例，對本發明的上述 步驟進行進一步詳細舉例說明。如圖2所示，數控鑽孔工具機的工作檯採用伺服 電^L與絲槓聯結驅動，沿導軌方向上進行直線定位運動，工作檯架1^_設置在 工具機床身3上的具有肋板的框架型結構，其通過導軌滑塊和氣腳10支撐，臺架 1上覆蓋面板2，面板2上放置PCB板，工作檯架1的前端還有刀具機械手等 部件。加工過程中，工作檯往復高速運動，並進行精確定位，因此工作檯裝配 體在運行過程中出現的振動、扭擺等問題嚴重影響PCB板的鑽孔定位精度。本 發明提供的工具機運動平臺結構設計方法應用在數控鑽孔工具機中的過程如下首先對主要零件和部件進行模態分析。針對工具機運動平臺，利用LMS( LMS INTERNATIONAL)公司的Test丄ab軟體Geometry模塊建立零件和部件的幾 何測試模型，利用Impact Testing模塊進行錘擊模態試驗，採用固定激勵點，移 動測試點的方法按照建立的模型逐點測試其振動加速度響應，得到各點的傳遞 函數；然後，利用Modal Analysis模塊的polymax技術，提取各階模態，得到 模態頻率和模態振型。如圖3中所示的示例，從各階振型圖上可以看出第1 階振型為Y方向擺動；第2階振型為Y方向一彎；第3階振型為Y方向二彎； 第4階振型為Y方向三彎。
然後，在工具機正常工作狀態下，利用Signature Acquisition軟體測試所建才莫 型各點的振動響應，利用Operational Deflection Shapes & Time Animation才莫塊 分析得到工作檯的工作變形圖，如圖4中所示，可以發現工作檯在50Hz頻率 附近的擺動較大。
然後，對比錘擊模態分析的結果，系統結構改進前第1階模態的擺動頻率 為49Hz，所以影響工作檯定位精度的主要是第1階和第2階振型，尤其以第1 階擺動振型的影響最為明顯。
然後，對結構^f故出改進設計，如圖5所示，改變工作檯架結構，並加強工 作臺架中間部分的肋板，提高工作檯架整體剛性。調整工作檯架的質量分布， 使工作檯整體質量多集中在工作檯的中間1/3區域內，即減小系統的轉動慣量， 選擇合適的導軌，適當增加導軌剛度。
最後，重複才莫態分析和工作變形分析，直至達到設計目標，得到零件和部 件的工作變形圖，可以發現工作檯的擺動頻率提高到了 95Hz附近，同時，鑽 孔精度得到了提高。
以上所述僅為本發明的較佳實施例而已，並不用以限制本發明，例如本發 明不僅僅局限於應用在PCB數控鑽孔工具機中，還可以應用於其他類型的工具機。 凡在本發明的精神和原則之內所作的任何修改、等同替換和改進等，均應包含 在本發明的保護範圍之內。
權利要求
1、一種工具機運動平臺結構設計方法，其特徵在於包括以下步驟步驟a，對工具機零件和部件模態進行分析；步驟b，進行工具機工作狀態下的工作變形測試；步驟c，對比分析模態振型和工作變形數據，找出對工具機動態性能影響較大的不利模態；步驟d，利用模態修改方法對零件或部件結構進行修改。
2、 根據權利要求1所述的工具機運動平臺結構設計方法，其特徵在於，所述執行步驟d之後進一步執行一步驟e:修改零件和部件結構後，判斷是否達到設計目標，如果未達到設計目標，則重新執行步驟a。
3、 根據權利要求1所述的工具機運動平臺結構設計方法，其特徵在於，所述步驟a進一步包括對工具機運動平臺的主要零件和部件進行錘擊模態試驗，得到零件和部件的各階;漠態頻率及其對應的;f莫態振型。
4、 根據權利要求1所述的工具機運動平臺結構設計方法，其特徵在於，所述步驟b進一步包括通過測量平臺各零件和部件的振動響應，得到工具機平臺零件和部件的工作變形圖。
5、 根據權利要求1所述的工具機運動平臺結構設計方法，其特徵在於，步驟d所述的修改包括修改零件的剛性或重新設計零件的布局。
全文摘要
本發明提供了一種工具機運動平臺結構設計方法，其包括以下步驟步驟a，對工具機零件和部件模態進行測試；步驟b，進行工具機工作狀態下的工作變形測試；步驟c，對比分析模態振型和工作變形數據，找出對工具機動態性能影響較大的不利模態；步驟d，利用模態修改方法對零件或部件結構進行修改，抑制不利模態。本發明提供的工具機運動平臺結構設計方法具有描述問題準確、模型修改快速、分析問題便捷等優點，有效的提高設計效率和設計準確性。
文檔編號B23Q1/25GK101579820SQ20091010768
公開日2009年11月18日 申請日期2009年6月5日 優先權日2009年6月5日
發明者宋福民, 崔彥洲, 肖俊君, 群 雷, 高雲峰 申請人:深圳市大族雷射科技股份有限公司;深圳市大族數控科技有限公司