一种用于快速刀具伺服系统的刀架设计方法、系统及介质技术方案

本发明专利技术公开了一种用于快速刀具伺服系统的刀架设计方法、系统及介质，方法包括根据快速刀具伺服系统性能要求确定刀架的结构形式、设计参数以及材料属性，并给出刀架的动静态性能的优化目标范围；建立刀架有限元模型并进行分析，得到不同设计参数下刀架的动静态性能；建立柔性刀架疲劳可靠度数学模型并结合有限分析对其进行求解，得到刀架疲劳可靠度和各设计参数的关系曲线；根据不同设计参数下刀架的动静态性能、刀架疲劳可靠度和各设计参数的关系曲线确定刀架的设计参数。本发明专利技术结合有限元方法分析刀架疲劳可靠性，设计出的刀架结构不仅精度高，同时具有更可靠的使用寿命。

A tool holder design method, system and medium for fast tool servo system

【技术实现步骤摘要】
一种用于快速刀具伺服系统的刀架设计方法、系统及介质
本专利技术涉及快速刀具伺服系统的柔性刀架结构设计，具体涉及一种用于快速刀具伺服系统的刀架设计方法、系统及介质。
技术介绍
快速刀具伺服加工技术是一种新型的复杂面形加工技术，它通过控制刀具做高频响、高精度的往复运动，与机床伺服轴运动相匹配，实现对非回转对称或复杂面形零件的超精密加工。快速刀具伺服技术的发展，为靶零件加工提供了一种新型、高效、经济可靠的途径。目前比较成熟的快速刀具伺服系统一般采用压电陶瓷作为驱动元件，刀具装在柔性刀架构成的刀架上作为执行元件，通过压电陶瓷推动刀架带动刀具工作。构成刀架的柔性刀架是利用材料弹性回复原理设计的一种机械传动装置，具有传动准确、无摩擦、不需润滑、无空程等优点，是快速刀具伺服系统应用最成熟的运动传递装置，引起了国内外学者的广泛关注。柔性刀架在精密工程、仪器测量、航空航天以及微机电系统等领域有着广泛的应用。目前快速伺服刀具的刀架设计通常是基于弹性力学理论对刀架结构参数进行优化，在建立数学模型时会对结构进行假设或简化，计算出刀架刚度理论值与实际值存在一定偏差；考虑疲劳强度方面也只进行静应力校核，不符合高频往复运动结构的客观事实。
技术实现思路
本专利技术要解决的技术问题：针对现有技术的上述问题，提供一种用于快速刀具伺服系统的刀架设计方法、系统及介质，本专利技术结合有限元方法分析刀架疲劳可靠性，设计出的刀架结构不仅精度高，同时具有更可靠的使用寿命，能够使设计的刀架在保持高线性度、重复定位精度、表面跟踪能力同时提高其疲劳可靠度。为了解决上述技术问题，本专利技术采用的技术方案为：一种用于快速刀具伺服系统的刀架设计方法，实施步骤包括：1)根据快速刀具伺服系统性能要求确定刀架的结构形式、设计参数以及材料属性，并给出刀架的动静态性能的优化目标范围；2)建立刀架有限元模型并进行分析，得到不同设计参数下刀架的动静态性能；3)建立柔性刀架疲劳可靠度数学模型并结合有限分析对其进行求解，得到刀架疲劳可靠度和各设计参数的关系曲线；4)根据不同设计参数下刀架的动静态性能、刀架疲劳可靠度和各设计参数的关系曲线确定刀架的设计参数。优选地，步骤1)中根据快速刀具伺服系统性能要求确定刀架的结构形式的步骤包括：建立快速刀具伺服系统机械部分简化的质量-弹簧-阻尼系统，所述质量-弹簧-阻尼系统的运动为典型的二阶运动，质量为M的刀架运动块在陶瓷驱动力F的作用下在y方向和绕z轴产生位移Δy和转角α，w为两个平行铰链之间的间距，L为铰链总长，根据典型二阶系统的阶跃响特点可得到刀架运动块质量、刚度和阻尼对系统响应性能的影响；根据刀架的弹性回复加速度应不小于压电陶瓷的弹性回复加速度、压电陶瓷被刀架刚度吃掉部分行程后的最大输出位移大于系统输出位移指标得到刀架刚度的选取范围；结合刀架运动块质量、刚度和阻尼对系统响应性能的影响以及刀架刚度的选取范围，确定直梁型刀架结构形式。优选地，步骤1)中材料属性具体是指结合材料属性和价格确定。优选地，步骤1)中的设计参数包括圆弧半径R、最小厚度t和直梁长度l。优选地，步骤3)中建立柔性刀架疲劳可靠度数学模型的函数表达式如式(1)所示；式(1)中，为柔性刀架疲劳可靠度，Se为刀架的疲劳极限，Seqv为刀架的疲劳均值，P表示概率，为中间变量，z为积分变量，为刀架疲劳极限的均值，为刀架等效疲劳强度的均值，为刀架疲劳极限的标准差，为刀架等效疲劳强度的标准差。优选地，步所述动静态性能包括刀架刚度、疲劳应力和固有频率。优选地，步骤4)的详细步骤包括：针对刀架疲劳可靠度和各设计参数的关系曲线，根据刀架疲劳可靠度为1确定各设计参数的取值范围，从而对设计参数进行选择；针对选择出来的设计参数，根据不同设计参数下刀架的动静态性能进行优选。此外，本专利技术还提供一种所述用于快速刀具伺服系统的刀架设计系统，包括计算机设备，该计算机设备被编程或配置以执行所述用于快速刀具伺服系统的刀架设计方法的步骤。此外，本专利技术还提供一种所述用于快速刀具伺服系统的刀架设计系统，包括计算机设备，该计算机设备的存储介质上存储有被编程或配置以执行所述用于快速刀具伺服系统的刀架设计方法的计算机程序。此外，本专利技术还提供一种计算机可读存储介质，该计算机可读存储介质上存储有被编程或配置以执行所述用于快速刀具伺服系统的刀架设计方法的计算机程序。和现有技术相比，本专利技术具有下述优点：本专利技术根据快速刀具伺服系统性能要求确定刀架的结构形式、设计参数以及材料属性，并给出刀架的动静态性能的优化目标范围，建立刀架有限元模型并进行分析，得到不同设计参数下刀架的动静态性能，建立柔性刀架疲劳可靠度数学模型并结合有限分析对其进行求解，得到刀架疲劳可靠度和各设计参数的关系曲线；根据不同设计参数下刀架的动静态性能、刀架疲劳可靠度和各设计参数的关系曲线确定刀架的设计参数。本专利技术结合有限元方法分析刀架疲劳可靠性，设计出的刀架结构不仅精度高，同时具有更可靠的使用寿命，能够使设计的刀架在保持高线性度、重复定位精度、表面跟踪能力同时提高其疲劳可靠度，为柔性刀架的设计提供了一种全新的设计思路和方法。附图说明图1为本专利技术实施例方法的基本流程示意图。图2为本专利技术实施例设计刀架的结构示意图。图3为本专利技术实施例中建立的质量-弹簧-阻尼系统示意图。图4是本专利技术方法实例中设计参数(圆弧半径)和刀架刚度的关系曲线图，其中y轴的铰链刚度表示的为刀架刚度。图5是本专利技术方法实例中设计参数(直梁长度)和刀架刚度的关系曲线图，其中y轴的铰链刚度表示的为刀架刚度。图6是本专利技术方法实例中设计参数(最小厚度)和刀架刚度的关系曲线图，其中y轴的铰链刚度表示的为刀架刚度。图7是本专利技术方法实例中设计参数(圆弧半径)和刀架疲劳可靠度的关系曲线图。图8是本专利技术方法实例中设计参数(直梁长度)和刀架疲劳可靠度的关系曲线图。图9是本专利技术方法实例中设计参数(最小厚度)和刀架疲劳可靠度的关系曲线图。图10是本专利技术方法实例中优化参数组合下刀架性能(刚度)的有限元仿真结果。图11是本专利技术方法实例中优化参数组合下刀架性能(应力)的有限元仿真结果。图12是本专利技术方法实例中优化参数组合下刀架性能(固有频率与振型)的有限元仿真结果。图13是本专利技术方法实例中快速刀具伺服系统柔性刀架平面示意图。具体实施方式为更好地理解本专利技术，下面结合附图对本专利技术作进一步说明，但是本专利技术的实施方式不限于此。如图1所示，本实施例用于快速刀具伺服系统的刀架设计方法的实施步骤包括：1)根据快速刀具伺服系统性能要求确定刀架的结构形式、设计参数以及材料属性，并给出刀架的动静态性能的优化目标范围；2)建立刀架有限元模型并进行分析，得到不同设计参数下刀架的动静态性能；3)建立柔性刀架疲劳可靠度数学模型并结合有限分析对其进行求解，得到刀架疲劳可靠度和各设计参数的关系曲线；4)根据不同设计参数下刀架的动静态性能、刀架疲劳可靠度和各设计参数的关系曲线确定刀架的设计参数。本实施例中，步骤1)中根据快速刀具伺服系统性能要求确定刀架的结构形式的步骤包括：建立快速刀具伺服系统机械部分简化的质量-弹簧-阻尼系统，所述质量-弹簧-阻尼系统的运动为典型的二阶运动，质量为M的刀架运动块在陶瓷驱动力F的作用下在y方向和绕z轴产生位移Δy和转角α，w为两个平行铰链之间本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种用于快速刀具伺服系统的刀架设计方法，其特征在于实施步骤包括：1)根据快速刀具伺服系统性能要求确定刀架的结构形式、设计参数以及材料属性，并给出刀架的动静态性能的优化目标范围；2)建立刀架有限元模型并进行分析，得到不同设计参数下刀架的动静态性能；3)建立柔性刀架疲劳可靠度数学模型并结合有限分析对其进行求解，得到刀架疲劳可靠度和各设计参数的关系曲线；4)根据不同设计参数下刀架的动静态性能、刀架疲劳可靠度和各设计参数的关系曲线确定刀架的设计参数。

【技术特征摘要】
1.一种用于快速刀具伺服系统的刀架设计方法，其特征在于实施步骤包括：1)根据快速刀具伺服系统性能要求确定刀架的结构形式、设计参数以及材料属性，并给出刀架的动静态性能的优化目标范围；2)建立刀架有限元模型并进行分析，得到不同设计参数下刀架的动静态性能；3)建立柔性刀架疲劳可靠度数学模型并结合有限分析对其进行求解，得到刀架疲劳可靠度和各设计参数的关系曲线；4)根据不同设计参数下刀架的动静态性能、刀架疲劳可靠度和各设计参数的关系曲线确定刀架的设计参数。2.根据权利要求1所述用于快速刀具伺服系统的刀架设计方法，其特征在于，步骤1)中根据快速刀具伺服系统性能要求确定刀架的结构形式的步骤包括：建立快速刀具伺服系统机械部分简化的质量-弹簧-阻尼系统，所述质量-弹簧-阻尼系统的运动为典型的二阶运动，质量为M的刀架运动块在陶瓷驱动力F的作用下在y方向和绕z轴产生位移Δy和转角α，w为两个平行铰链之间的间距，L为铰链总长，根据典型二阶系统的阶跃响特点可得到刀架运动块质量、刚度和阻尼对系统响应性能的影响；根据刀架的弹性回复加速度应不小于压电陶瓷的弹性回复加速度、压电陶瓷被刀架刚度吃掉部分行程后的最大输出位移大于系统输出位移指标得到刀架刚度的选取范围；结合刀架运动块质量、刚度和阻尼对系统响应性能的影响以及刀架刚度的选取范围，确定直梁型刀架结构形式。3.根据权利要求1所述用于快速刀具伺服系统的刀架设计方法，其特征在于，步骤1)中材料属性具体是指结合材料属性和价格确定。4.根据权利要求1所述用于快速刀具伺服系统的刀架设计方法，其特征在于，步骤1)中...

【专利技术属性】
技术研发人员：戴一帆，关朝亮，刘俊峰，铁贵鹏，彭小强，石峰，
申请(专利权)人：中国人民解放军国防科技大学，
类型：发明
国别省市：湖南,43