气脚支撑工作台的设计方法技术

一种气脚支撑工作台的设计方法，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形成有限元模型；Ａ２．确定气脚位置：通过改变气脚与对称中心的距离采样一组有限元模型，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，进行气脚的模态分析以获取气脚刚度；Ａ４．确定气脚预载：对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。本发明专利技术能够确保工作台达到设计要求的稳定性和机械性能；节约大量测量和样品试验所消耗的资源和时间；可以在概念和设计阶段，而未投入实际生产之前达到目的；实施要求低，便捷快速；能准确输出气脚的具体参数结论。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术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。
技术介绍
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)。使用气脚不单縮减大量成本，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縮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。
技术实现思路
因此，本专利技术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，本专利技术提供一种，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Al、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 p代替实际的材料密度，该等效密度p的计算公式P= (Mo — Ma) /V, 式中，Mo为工作台的总质量；M《为几何模型中添加质量点的总质量；V为长方体的体积。其中，步骤A2中，以半边工作台作为参考，半边工作台中的变形分成两 个部分， 一部分是气脚往外到自由末端的区域，另外一部分为气脚到导轨之 间的区域，称前者区域中的最大变形为Se，后者区域中的最大变形为Sm，则判断变形分布最均匀的准则为最小化Se和Sm的绝对差值。其中，改变气脚与对称中心的距离时，首先判断气脚位置偏移的方向Se>Sm，向远端偏移；反之，则向中心偏移。其中，通过在导轨滑块区域和初定气脚位置分别设置相应的刚性固定边界条件，根据实际情况施加重力场获取所述实体单元的质量分布。其中，步骤A3中，仅对气脚的竖直方向振型进行模态的分析。其中，所述竖直方向振型包括扭摆和挠动振型。其中，得到随气脚刚度变化的模态曲线，气脚刚度值为曲线急剧上升后 到模态增长突然减缓的转折点，此处刚度值为气脚强化工作台的最大效率 点。其中，得到随气脚刚度变化的模态曲线，气脚刚度值为曲线中对应工作 台达到需要的模态高度时的刚度值，此处刚度值为气脚刚度的下限。 其中，所述的气脚支撑工作台为多轴数控钻机工作台。 本专利技术针对双导轨工作台在气脚应用中所遇到的各种问题而提出的气脚设计方法，具有以下优点a)能够确保工作台达到设计要求的稳定性和机械性能；b) 区别于实验测量和验证技术，本专利技术釆用有限元建模和求解得，可以在概念和设计阶段，而未投入实际生产之前达到目的；c) 能够节约大量测量和样品试验所消耗的资源和时间；d) 实施要求低，便捷快速；e) 能准确输出气脚的具体参数结论。附图说明下面结合附图，通过对本专利技术的具体实施方式详细描述，将使本专利技术的技术方案及其他有益效果显而易见。图1为现有六轴数控钻机气脚支撑工作台的结构示意图2为本专利技术的流程图3为本专利技术一较佳实施例中所建立的工作台的几何形态示意图4A—图4C为本专利技术一较佳实施例中优化气脚位置的示意图5为本专利技术一较佳实施例中拥有具体几何特征的工作台的最终CAD模型示意图6A为本专利技术一较佳实施例的刚度一模态曲线示意图； 图6B为本专利技术又一较佳实施例的刚度一模态曲线示意图。具体实施例方式如图2所示，其为本专利技术的流程图，本专利技术提 出的方法可以贯彻实施在大型工作台的整个设计过程中，既依赖于工作台的 设计也影响着工作台的设计，可以分成两部分。第一部分是在概念设计阶段，还未确定工作台的内部框架结构和其它细 节特征，而只初步计划出了工作台的大小(长宽高)、重量(总质量及集中质 量分布)以及材料等时。这时候必须先确定导轨滑块以及气脚支撑的位置， 才有可能进行工作台内部的具体外形设计。相对而言，导轨滑块的位置根据 典型双导轨平台分布原则，很容易确定下来，重点和难点在于确定气脚的支 撑位置。如图2所示，这一阶段可通过执行步骤A1和A2来确定气脚位置。首先通过步骤Al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。对于大型气脚工作台来说，例如多轴数控钻机工作台，外形特点是两端 跨距很长，普遍具有"长》宽》高"的几何本文档来自技高网...

【技术保护点】
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，其特征在于，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。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：高云峰，叶爱鹏，肖俊君，李宁，崔彦州，宋福民，雷群，
申请(专利权)人：深圳市大族激光科技股份有限公司，深圳市大族数控科技有限公司，
类型：发明
国别省市：94[中国|深圳]