專利名稱：氣腳支撐工作臺的設(shè)計(jì)方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種工作臺設(shè)計(jì)方法，尤其涉及一種氣腳支撐工作臺的設(shè)計(jì) 方法。
背景技術(shù)：
在流水作業(yè)的大工業(yè)生產(chǎn)中，能夠提高加工生產(chǎn)效率的多軸數(shù)控鉆機(jī)是 當(dāng)今數(shù)控鉆機(jī)的潮流以及發(fā)展的趨勢。而對于多軸同步鉆孔技術(shù)，基本上都 面對同一個難題——就是工作臺跨距很長。由于長跨距導(dǎo)致主導(dǎo)軌滑塊定位 后兩側(cè)存在長懸出段，此處機(jī)械強(qiáng)度不足，極易起振。目前，廣泛使用的解 決方案分為兩種用四導(dǎo)軌來代替經(jīng)典的雙導(dǎo)軌架構(gòu)，即在懸出段下方增加 一對與主導(dǎo)軌平行的副導(dǎo)軌以起支撐作用；另外一種方法就是用氣腳來代替 副導(dǎo)軌，通常使用四個氣腳對稱支撐在工作臺長方形底面的四個角落，也存 在使用四個以上(比如八個)氣腳來輔助支撐的個案。
雖然四導(dǎo)軌技術(shù)能夠很好的解決跨距大帶來的難題，但是在實(shí)際使用中 四導(dǎo)軌很容易引發(fā)運(yùn)動性能方面的缺陷。這是因?yàn)樗膶?dǎo)軌的理想平行狀態(tài)， 以及導(dǎo)軌滑塊受力的均勻分配非常難實(shí)現(xiàn)。這就很容易導(dǎo)致工作臺在導(dǎo)軌間 滑行產(chǎn)生相互干涉和受力不均，從而影響運(yùn)動性能和導(dǎo)軌滑塊壽命。更進(jìn)一 步，使用四導(dǎo)軌無疑帶來了額外的組裝和維護(hù)成本。
因此，現(xiàn)在的工作臺大都采用使用氣腳來代替副導(dǎo)軌的設(shè)計(jì)方案。圖1 所示為現(xiàn)有六軸數(shù)控鉆機(jī)氣腳支撐工作臺的結(jié)構(gòu)示意圖，其具有6個鉆頭 1，因此其工作臺3的跨距很長，其采用了經(jīng)典的雙導(dǎo)軌架構(gòu)，工作臺3的中 部對稱設(shè)置了兩個導(dǎo)軌2，導(dǎo)軌2兩側(cè)均為滑塊連接區(qū)4，工作臺3共有四個 滑塊連接區(qū)4，為了支撐工作臺3，在工作臺3底面的四個角落設(shè)置了四個氣 腳5 (圖1中僅顯示了其中兩個)。使用氣腳不單縮減大量成本，而且那些四 導(dǎo)軌會遇到的問題都將迎刃而解。氣腳的最大特點(diǎn)是無摩擦運(yùn)動壓縮氣體在氣腳的小孔和路徑中流動，并且最終與外界大氣壓中和，此過程將在氣腳 和基準(zhǔn)面間形成一股"氣膜"，從而使被支撐物懸浮起來并且能夠基本消除與 基準(zhǔn)面間相對運(yùn)動的摩擦力。因此，工作臺可以沿用經(jīng)典的雙導(dǎo)軌設(shè)計(jì)，配 合氣腳的輔助支撐達(dá)到預(yù)期目的及效果。
然而，氣腳的應(yīng)用并不是這么簡單、直觀——比如行業(yè)內(nèi)大部分設(shè)計(jì)人 員和裝配人員都認(rèn)為就是設(shè)置雙導(dǎo)軌，然后用氣腳把懸出部分支撐起來達(dá)到 滑塊支撐部位的水平高度，片面的認(rèn)為這樣做工作臺的精度就達(dá)到了。但 是，調(diào)平的目的其實(shí)不是為了水平度，而是在于整個工作臺剛度的均勻化。 精度的保證不是初裝靜態(tài)的平直程度，而是工作臺在工作過程中維持精度的 能力，也就是說工作臺的整體剛度和抗振能力是至關(guān)重要的。實(shí)際應(yīng)用中， 氣腳的支撐位置和參數(shù)選擇都深刻影響著工作臺的整體性能。因此，亟需一 種可靠的設(shè)計(jì)方法來保證氣腳符合需求。

發(fā)明內(nèi)容
因此，本發(fā)明的目的在于在使用氣腳支撐的雙導(dǎo)軌工作臺的設(shè)計(jì)中，借 助于有限元理論有效的優(yōu)化氣腳的支撐位置和相關(guān)參數(shù)，完成合適的氣腳設(shè) 計(jì)，以保證此類工作臺達(dá)到設(shè)計(jì)要求的機(jī)械性能和穩(wěn)定性。
為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供一種氣腳支撐工作臺的設(shè)計(jì)方法，該工作 臺中心對稱，其中部設(shè)有雙導(dǎo)軌及其配套滑塊，其包括步驟
Al、確定有限元模型根據(jù)工作臺建立相應(yīng)實(shí)心長方體的幾何形態(tài)，對 所述幾何形態(tài)進(jìn)行實(shí)體網(wǎng)格劃分形成實(shí)體單元，將材料屬性定義給所述實(shí)體 單元，根據(jù)工作臺的實(shí)際情況確定所述實(shí)體單元的質(zhì)量分布形成有限元模 型；
A2、確定氣腳位置改變氣腳與對稱中心的距離采樣一組有限元模型， 通過對所述有限元模型分別進(jìn)行靜力學(xué)分析，取其中變形分布最均勻的模型 為此采樣組最優(yōu)化模型，反復(fù)上述獲取每個采樣組最優(yōu)化模型的步驟以獲取 更優(yōu)化的模型至獲取符合精度需求的氣腳位置；
A3、確定氣腳剛度根據(jù)工作臺的具體形態(tài)建立有限元模型，用等剛度 值的彈簧單元取代所述有限元模型的剛性邊界條件，在所述獲取的有限元模型氣腳位置處通過改變彈簧的剛度進(jìn)行氣腳的模態(tài)分析，通過所述模態(tài)分析 獲取氣腳剛度的上限和下限；
A4、確定氣腳預(yù)載對所述有限元模型進(jìn)行靜力學(xué)分析，獲取氣腳支撐 處等效彈簧的總反力。
其中，所述材料屬性包括材料的密度，其采用該長方體的等效材料密度 p代替實(shí)際的材料密度，該等效密度p的計(jì)算公式P= (Mo — Ma) /V, 式中，
Mo為工作臺的總質(zhì)量；
M《為幾何模型中添加質(zhì)量點(diǎn)的總質(zhì)量；
V為長方體的體積。
其中，步驟A2中，以半邊工作臺作為參考，半邊工作臺中的變形分成兩 個部分， 一部分是氣腳往外到自由末端的區(qū)域，另外一部分為氣腳到導(dǎo)軌之 間的區(qū)域，稱前者區(qū)域中的最大變形為Se，后者區(qū)域中的最大變形為Sm，則
判斷變形分布最均勻的準(zhǔn)則為最小化Se和Sm的絕對差值。
其中，改變氣腳與對稱中心的距離時，首先判斷氣腳位置偏移的方向
Se>Sm，向遠(yuǎn)端偏移；反之，則向中心偏移。
其中，通過在導(dǎo)軌滑塊區(qū)域和初定氣腳位置分別設(shè)置相應(yīng)的剛性固定邊
界條件，根據(jù)實(shí)際情況施加重力場獲取所述實(shí)體單元的質(zhì)量分布。
其中，步驟A3中，僅對氣腳的豎直方向振型進(jìn)行模態(tài)的分析。
其中，所述豎直方向振型包括扭擺和撓動振型。
其中，得到隨氣腳剛度變化的模態(tài)曲線，氣腳剛度值為曲線急劇上升后 到模態(tài)增長突然減緩的轉(zhuǎn)折點(diǎn)，此處剛度值為氣腳強(qiáng)化工作臺的最大效率 點(diǎn)。
其中，得到隨氣腳剛度變化的模態(tài)曲線，氣腳剛度值為曲線中對應(yīng)工作 臺達(dá)到需要的模態(tài)高度時的剛度值，此處剛度值為氣腳剛度的下限。 其中，所述的氣腳支撐工作臺為多軸數(shù)控鉆機(jī)工作臺。 本發(fā)明針對雙導(dǎo)軌工作臺在氣腳應(yīng)用中所遇到的各種問題而提出的氣腳
設(shè)計(jì)方法，具有以下優(yōu)點(diǎn)
a)能夠確保工作臺達(dá)到設(shè)計(jì)要求的穩(wěn)定性和機(jī)械性能；b) 區(qū)別于實(shí)驗(yàn)測量和驗(yàn)證技術(shù)，本發(fā)明釆用有限元建模和求解得，可以
在概念和設(shè)計(jì)階段，而未投入實(shí)際生產(chǎn)之前達(dá)到目的；
c) 能夠節(jié)約大量測量和樣品試驗(yàn)所消耗的資源和時間；
d) 實(shí)施要求低，便捷快速；
e) 能準(zhǔn)確輸出氣腳的具體參數(shù)結(jié)論。


下面結(jié)合附圖，通過對本發(fā)明的具體實(shí)施方式
詳細(xì)描述，將使本發(fā)明的
技術(shù)方案及其他有益效果顯而易見。
圖1為現(xiàn)有六軸數(shù)控鉆機(jī)氣腳支撐工作臺的結(jié)構(gòu)示意圖2為本發(fā)明氣腳支撐工作臺的設(shè)計(jì)方法的流程圖3為本發(fā)明一較佳實(shí)施例中所建立的工作臺的幾何形態(tài)示意圖4A—圖4C為本發(fā)明一較佳實(shí)施例中優(yōu)化氣腳位置的示意圖5為本發(fā)明一較佳實(shí)施例中擁有具體幾何特征的工作臺的最終CAD
模型示意圖6A為本發(fā)明一較佳實(shí)施例的剛度一模態(tài)曲線示意圖； 圖6B為本發(fā)明又一較佳實(shí)施例的剛度一模態(tài)曲線示意圖。
具體實(shí)施例方式
如圖2所示，其為本發(fā)明氣腳支撐工作臺的設(shè)計(jì)方法的流程圖，本發(fā)明提 出的方法可以貫徹實(shí)施在大型工作臺的整個設(shè)計(jì)過程中，既依賴于工作臺的 設(shè)計(jì)也影響著工作臺的設(shè)計(jì)，可以分成兩部分。
第一部分是在概念設(shè)計(jì)階段，還未確定工作臺的內(nèi)部框架結(jié)構(gòu)和其它細(xì) 節(jié)特征，而只初步計(jì)劃出了工作臺的大小(長寬高)、重量(總質(zhì)量及集中質(zhì) 量分布)以及材料等時。這時候必須先確定導(dǎo)軌滑塊以及氣腳支撐的位置， 才有可能進(jìn)行工作臺內(nèi)部的具體外形設(shè)計(jì)。相對而言，導(dǎo)軌滑塊的位置根據(jù) 典型雙導(dǎo)軌平臺分布原則，很容易確定下來，重點(diǎn)和難點(diǎn)在于確定氣腳的支 撐位置。如圖2所示，這一階段可通過執(zhí)行步驟A1和A2來確定氣腳位置。
首先通過步驟Al確定有限元模型根據(jù)工作臺建立相應(yīng)實(shí)心長方體的幾 何形態(tài)，對所述幾何形態(tài)進(jìn)行實(shí)體網(wǎng)格劃分形成實(shí)體單元，將材料屬性定義給所述實(shí)體單元，根據(jù)工作臺的實(shí)際情況確定所述實(shí)體單元的質(zhì)量分布形成 有限元模型。
對于大型氣腳工作臺來說，例如多軸數(shù)控鉆機(jī)工作臺，外形特點(diǎn)是兩端 跨距很長，普遍具有"長》寬》高"的幾何特點(diǎn)；另外根據(jù)工作臺剛度追求 分布均勻的原則，大部分工作臺的質(zhì)量分布保持均勻； 一般來說，這樣的大 型工作臺的共同特點(diǎn)為中心對稱，中部設(shè)有雙導(dǎo)軌及其配套滑塊。由此，如 圖3所示，其為本發(fā)明一較佳實(shí)施例中所建立的工作臺的幾何形態(tài)示意圖；利 用步驟A1，建立相應(yīng)外形尺寸(長寬高)的實(shí)心長方體10作為分析對象，并 且自定義該長方體10的材料密度，以保證該簡化模型總質(zhì)量與客觀工作臺總 質(zhì)量保持相等；對于局部質(zhì)量分布集中的區(qū)域，在此模型基礎(chǔ)上添加質(zhì)量點(diǎn) 到近似的位置上，并調(diào)整全局等效密度以保證加入質(zhì)量點(diǎn)后總質(zhì)量依然不 變。等效密度可采用下述計(jì)算公式p= (Mo—M點(diǎn).)/V，式中，Mo為工作 臺的總質(zhì)量，M^為幾何模型中添加質(zhì)量點(diǎn)的總質(zhì)量，V為長方體的體積。然 后把該長方體10輸入到有限元分析軟件中進(jìn)行實(shí)體網(wǎng)格劃分，并把材料屬性 定義給生成的實(shí)體單元，其中，密度使用前述計(jì)算出來的等效密度代替實(shí)際 材料密度。此外，在導(dǎo)軌滑塊ll (通常雙導(dǎo)軌由四個滑塊定位)區(qū)域和初定 氣腳12支撐位置設(shè)置剛性固定邊界條件，根據(jù)實(shí)際情況施加重力場或者試驗(yàn) 用慣性場獲取所述實(shí)體單元的質(zhì)量分布；這里需要明確的是，氣腳只對工作 臺垂直支撐，因此氣腳支撐部位的邊界條件只有垂直方向一個自由度的約 束。
建立有限元模型后，可通過步驟A2來確定氣腳位置改變氣腳與對稱中 心的距離采樣一組有限元模型，通過對所述有限元模型分別進(jìn)行靜力學(xué)分 析，取其中變形分布最均勻的模型為此采樣組最優(yōu)化模型，反復(fù)上述獲取每 個采樣組最優(yōu)化模型的步驟以獲取更優(yōu)化的模型至獲取符合精度需求的氣腳 位置。
在步驟A2中，改變氣腳離開對稱中心的距離以得到一組氣腳位置不同的 有限元模型，也就是改變氣腳支撐處的邊界條件(氣腳位置)而得到多個有 限元模型，分別對它們進(jìn)行靜力學(xué)分析求解，比較每個模型在重力場中達(dá)到 靜態(tài)平衡的變形結(jié)果，其中變形分布最均勻的模型表示氣腳位置在此次采樣 組中最優(yōu)化。為獲取更優(yōu)化的模型，可以取上一次比較中得出的最優(yōu)化模型為基準(zhǔn)，再次建立一組誤差更小并且更加逼近最優(yōu)化氣腳位置的有限元模 型；再次對此組模型分別求解比較，又將得到一個變形分布更加均勻的模型 作為當(dāng)前最優(yōu)化結(jié)果。反復(fù)上述獲取每個采樣組最優(yōu)化模型的步驟以獲取更 優(yōu)化的模型至獲取符合精度需求的氣腳位置。
為便于該優(yōu)化求解過程程序化執(zhí)行，在步驟A2的循環(huán)求解過程中，可選 取一氣腳偏移量，按照該氣腳偏移量等距改變氣腳離開對稱中心的距離以得 到包含不同氣腳位置的一采樣組，從而得到一組氣腳位置不同的有限元模 型，對該組有限元模型分別進(jìn)行靜力學(xué)分析求解，比較每個有限元模型在重 力場中達(dá)到靜態(tài)平衡的變形結(jié)果，以其中變形分布最均勻的有限元模型所對 應(yīng)的氣腳位置為最優(yōu)化氣腳位置；然后，縮小氣腳偏移量以代替原有的氣腳 偏移量，并以前述最優(yōu)化氣腳位置為基準(zhǔn)，按照縮小后的氣腳偏移量等距改 變所述最優(yōu)化氣腳位置以得到包含不同氣腳位置的又一采樣組，從而再次得 到一組氣腳位置不同的有限元模型，對該組有限元模型分別進(jìn)行靜力學(xué)分析 求解，比較每個有限元模型在重力場中達(dá)到靜態(tài)平衡的變形結(jié)果，以其中變 形分布最均勻的有限元模型所對應(yīng)的氣腳位置為最優(yōu)化氣腳位置，以代替原 有的最優(yōu)化氣腳位置；根據(jù)設(shè)計(jì)需要酌量循環(huán)上述過程，采樣的氣腳中心偏 移量越小，所求得的最優(yōu)化氣腳位置越準(zhǔn)確，直至求得的氣腳位置符合精度 需求。
在步驟A2中，由于整個工作是中心對稱的，可以只考慮半邊工作臺，而 在半邊工作臺中變形分成兩個部分 一部分是氣腳往外到自由末端的區(qū)域， 另外一部分為氣腳到主導(dǎo)軌之間的區(qū)域。稱前者區(qū)域中的最大變形為Se，后 者區(qū)域中的最大變形為5m。氣腳優(yōu)化的準(zhǔn)則為最小化&和Sm的絕對差值， 即Min|Se—Sm|。極限而言，當(dāng)氣腳處于一個理論最優(yōu)化的位置時ISe — Sml為 0。當(dāng)然，最優(yōu)化是始終存在誤差的，該值永遠(yuǎn)不為零，而是不斷接近零的一 種無限循環(huán)。如圖4A—圖4C所示，其為本發(fā)明一較佳實(shí)施例中優(yōu)化氣腳位 置的示意圖；其中，圖4A表示三者中氣腳分布最優(yōu)化的模型；圖4B表示氣 腳支撐分布過近的模型，Se >> 5m;圖4C表示氣腳分布過遠(yuǎn)的模型，Se
《Sm。
這里應(yīng)當(dāng)清楚，每一次循環(huán)求解最佳氣腳位置時，在改變氣腳與對稱中
心的距離前，首先應(yīng)判斷氣腳位置需要偏移的方向5e>5m，向遠(yuǎn)端偏移；反之，則向中心偏移。對于圖4A—圖4C所示的模型，如果想要得到更優(yōu)化的 氣腳支撐位置，可以基于圖4A，使用更小的偏移建立對比組，再找出變形分 布更加均勻，即隊(duì)一5ml更接近零的一個模型；另外，應(yīng)該可以從圖4A所示模 型的分析結(jié)果知道Se>Sm，從而判斷偏移方向是向工作臺遠(yuǎn)端。
一旦氣腳位置通過步驟Al和A2優(yōu)化確定下來，就擁有足夠的條件完成 大型工作臺的剩余設(shè)計(jì)工作，即輸出包括工作臺的內(nèi)部框架結(jié)構(gòu)和其他細(xì)節(jié) 的幾何特征，得出具體的工作臺的幾何形態(tài)。如圖5所示，其為本發(fā)明一較佳 實(shí)施例中擁有具體幾何特征的工作臺的最終CAD模型示意圖，該工作臺20的 CAD模型的各部分都已經(jīng)確定，雙導(dǎo)軌滑塊21定位于中部，四個氣腳22位置 確定，定位于工作臺的四角。
因此，本發(fā)明所提出方法的第二部分就是基于大型工作臺設(shè)計(jì)完成所輸 出的這個最終工作臺幾何形態(tài)，在工作臺的具體設(shè)計(jì)階段，確定氣腳的剛 度、預(yù)緊力大小這些關(guān)鍵氣腳參數(shù)。在此工作臺具體設(shè)計(jì)階段，已有如圖5 所示的最終CAD模型，可以把它直接倒入到有限元分析軟件中，并基于幾何 特征劃分實(shí)體網(wǎng)格，并賦予相關(guān)物理?xiàng)l件(材料屬性，重力場等等)，然后在 導(dǎo)軌滑塊區(qū)域定義彈簧單元組，賦予與導(dǎo)軌滑塊垂直和側(cè)向剛度等效的彈簧 常數(shù)總值；同樣的，在氣腳支撐區(qū)設(shè)置等效點(diǎn)彈簧單元組，這里的彈簧剛度 是變化值，改變氣腳支撐的等效彈簧剛度，且進(jìn)行一系列模態(tài)分析。如圖2 所示，這一階段通過步驟A3和A4分別確定工作臺氣腳的剛度和預(yù)載。
在步驟A3中確定氣腳剛度根據(jù)工作臺的具體形態(tài)建立有限元模型，用 等剛度值的彈簧單元取代所述有限元模型的剛性邊界條件，在所述獲取的有 限元模型氣腳位置處通過改變彈簧的剛度進(jìn)行氣腳的模態(tài)分析，通過所述模 態(tài)分析獲取氣腳剛度的上限和下限。
這里使用等剛度值的彈簧單元組取代原本在導(dǎo)軌滑塊區(qū)域的剛性邊界條 件，能夠使后面將要進(jìn)行的模態(tài)分析更加逼近實(shí)際情況；有關(guān)導(dǎo)軌滑塊剛度 可以根據(jù)型號和裝配預(yù)緊度從供應(yīng)商提供的技術(shù)參數(shù)表中査得。然后隨著改 變氣腳剛度而進(jìn)行一系列模態(tài)分析求解，至此，可以得到一組隨氣腳剛度變 化的工作臺模態(tài)曲線，如圖6A所示，其為本發(fā)明一較佳實(shí)施例的剛度一模態(tài) 曲線示意圖，圖6B所示為本發(fā)明又一較佳實(shí)施例的剛度一模態(tài)曲線示意圖， 圖中橫軸為氣腳剛度，豎軸為模態(tài)頻率。可以理解，氣腳只限制了工作臺豎直方向一個自由度，因此只有與此相關(guān)的振型具有研究價值，比如兩延長段 的扭擺和撓動振型。實(shí)際上，從分析結(jié)果上可以發(fā)現(xiàn)這幾個振型的模態(tài)隨著 氣腳等效彈簧的剛度發(fā)生明顯變化，繪制該剛度一模態(tài)曲線，可以看到模態(tài) 在氣腳剛度上升到一定范圍的時候急劇上升，直到剛度足夠大的時候，模態(tài) 增長突然減緩；可以取氣腳剛度為曲線急劇上升后到模態(tài)增長突然減緩的轉(zhuǎn)
折點(diǎn)，此處剛度值意味著氣腳強(qiáng)化工作臺最大效率點(diǎn)；當(dāng)然，也可以在這條
曲線中找出工作臺達(dá)到需要的模態(tài)高度時氣腳的剛度值，從而敲定氣腳剛度 的下限。
在步驟A3中確定了氣腳的剛度，而實(shí)際上氣腳的剛度不是完全線性的， 產(chǎn)生的氣膜隨著負(fù)載的增加而提供更高的剛度。也就是說，在成本考慮下確 定了空氣壓縮率和氣流流量的時候，剛度由負(fù)載決定，而一個沒有受到外載 的氣腳，預(yù)載成為穩(wěn)態(tài)剛度的重要標(biāo)準(zhǔn)。以下列舉幾個可行的方案來實(shí)現(xiàn)求
得的氣腳剛度需求
a) 選擇自預(yù)載氣腳如果成本允許，對于剛度要求非常重要的支撐對
象，最好是選用自預(yù)載氣腳--種特殊的氣腳，擁有自身加載的能力以保
證穩(wěn)態(tài)剛度——肯定的是此種氣腳要比典型氣腳昂貴得多；
b) 安裝氣腳的時候有意抬高氣腳支撐高度，此時工作臺被頂彎從而對氣 腳產(chǎn)生額外負(fù)載，以此穩(wěn)態(tài)剛度有效提升——必須非常注意的是，這種方案 由于迫使工作臺翹曲，力平衡反饋在主導(dǎo)軌上，無疑會對主導(dǎo)軌帶來額外負(fù) 擔(dān)，影響其性和壽命；
c) 選擇合適的氣腳——某預(yù)載條件下能夠保證剛度要求的氣腳。此方案 為本發(fā)明的推薦方案，具體可通過步驟A4來確定氣腳預(yù)載通過對所述有限 元模型進(jìn)行靜力學(xué)分析，獲取氣腳支撐處等效彈簧的總反力。使用確定了氣 腳位置和剛度的具體的工作臺幾何形態(tài)建立有限元模型，把材料屬性定義給 有限元模型的實(shí)體單元，根據(jù)實(shí)際情況施加重力場，使用與導(dǎo)軌滑塊等剛度 值的彈簧單元組作為導(dǎo)軌滑塊區(qū)域的邊界條件，在氣腳位置設(shè)置具有等效剛 度的點(diǎn)彈簧單元組作為邊界條件，對此有限元模型進(jìn)行有限元靜力學(xué)分析， 得出氣腳位置點(diǎn)彈簧單元組的總反力。通過對最終模型進(jìn)行有限元靜力學(xué)分 析，得出氣腳支撐處等效彈簧的總反力，這就是氣腳的初始負(fù)載，也就是對 氣腳的自然預(yù)載大小。此外，氣腳支撐工作臺的設(shè)計(jì)還包括其他參數(shù)，如尺寸、氣流壓強(qiáng)和流 速等；其中，尺寸只要在實(shí)際空間允許范圍內(nèi)即可，沒有特別的要求；至于
氣流的壓強(qiáng)和流速是成本考慮的結(jié)果，可以理解壓強(qiáng)和流速越大，成本就越 大；在此不再贅述。
綜上，本發(fā)明提供了針對大型氣腳支撐工作臺的設(shè)計(jì)方法，按照氣腳位 置、氣腳剛度、氣腳預(yù)載的順序，提出了由概念階段到具體設(shè)計(jì)階段的整個 設(shè)計(jì)方案，具有以下優(yōu)點(diǎn)a)能夠確保工作臺達(dá)到設(shè)計(jì)要求的穩(wěn)定性和機(jī)械 性能；b) 區(qū)別于實(shí)驗(yàn)測量和驗(yàn)證技術(shù)，本發(fā)明采用有限元建模和求解得， 可以在概念和設(shè)計(jì)階段，而未投入實(shí)際生產(chǎn)之前達(dá)到目的；c)能夠節(jié)約大量 測量和樣品試驗(yàn)所消耗的資源和時間；d)實(shí)施要求低，便捷快速；e)能準(zhǔn)確輸 出氣腳的具體參數(shù)結(jié)論。實(shí)際上，很容易理解，按照本發(fā)明的技術(shù)方案，也 可將氣腳支撐工作臺的設(shè)計(jì)方法的各步驟分別使用，從而運(yùn)用更加靈活，在 此不再贅述。
以上所述，對于本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，可以根據(jù)本發(fā)明的技術(shù)方 案和技術(shù)構(gòu)思作出其他各種相應(yīng)的改變和變形，而所有這些改變和變形都應(yīng) 屬于本發(fā)明后附的權(quán)利要求的保護(hù)范圍。
權(quán)利要求
1、一種氣腳支撐工作臺的設(shè)計(jì)方法，該工作臺中心對稱，其中部設(shè)有雙導(dǎo)軌及其配套滑塊，其特征在于，包括步驟A1、確定有限元模型根據(jù)工作臺建立相應(yīng)實(shí)心長方體的幾何形態(tài)，對所述幾何形態(tài)進(jìn)行實(shí)體網(wǎng)格劃分形成實(shí)體單元，將材料屬性定義給所述實(shí)體單元，根據(jù)工作臺的實(shí)際情況確定所述實(shí)體單元的質(zhì)量分布形成有限元模型；A2、確定氣腳位置改變氣腳與對稱中心的距離采樣一組有限元模型，通過對所述有限元模型分別進(jìn)行靜力學(xué)分析，取其中變形分布最均勻的模型為此采樣組最優(yōu)化模型，反復(fù)上述獲取每個采樣組最優(yōu)化模型的步驟以獲取更優(yōu)化的模型至獲取符合精度需求的氣腳位置；A3、確定氣腳剛度根據(jù)工作臺的具體形態(tài)建立有限元模型，用等剛度值的彈簧單元取代所述有限元模型的剛性邊界條件，在所述獲取的有限元模型氣腳位置處通過改變彈簧的剛度進(jìn)行氣腳的模態(tài)分析，通過所述模態(tài)分析獲取氣腳剛度的上限和下限；A4、確定氣腳預(yù)載對所述有限元模型進(jìn)行靜力學(xué)分析，獲取氣腳支撐處等效彈簧的總反力。
2、 如權(quán)利要求l所述的氣腳支撐工作臺的設(shè)計(jì)方法，其特征在于，所述 材料屬性包括材料的密度，其采用該長方體的等效材料密度p代替實(shí)際的材 料密度，該等效密度p的計(jì)算公式p= (M。一M^) /V,式中，Mo為工作臺的總質(zhì)量；M ^為幾何模型中添加質(zhì)量點(diǎn)的總質(zhì)量；v為長方體的體積。
3、 如權(quán)利要求l所述的氣腳支撐工作臺的設(shè)計(jì)方法，其特征在于，步驟 A2中，以半邊工作臺作為參考，半邊工作臺中的變形分成兩個部分， 一部分 是氣腳往外到自由末端的區(qū)域，另外一部分為氣腳到導(dǎo)軌之間的區(qū)域，稱前者區(qū)域中的最大變形為5e，后者區(qū)域中的最大變形為5m，則判斷變形分布最均勻的準(zhǔn)則為最小化Se和Sm的絕對差值。
4、 如權(quán)利要求3所述的氣腳支撐工作臺的設(shè)計(jì)方法，其特征在于，改變 氣腳與對稱中心的距離時，首先判斷氣腳位置偏移的方向Se〉Sm，向遠(yuǎn)端偏 移；反之，則向中心偏移。
5、 如權(quán)利要求l所述的氣腳支撐工作臺的設(shè)計(jì)方法，其特征在于，通過在導(dǎo)軌滑塊區(qū)域和初定氣腳位置分別設(shè)置相應(yīng)的剛性固定邊界條件，根據(jù)實(shí) 際情況施加重力場獲取所述實(shí)體單元的質(zhì)量分布。
6、 根據(jù)權(quán)利要求l所述的氣腳支撐工作臺的設(shè)計(jì)方法，其特征在于，步 驟A3中，僅對氣腳的豎直方向振型進(jìn)行模態(tài)的分析。
7、 如權(quán)利要求6所述的氣腳支撐工作臺的設(shè)計(jì)方法，其特征在于，所述 豎直方向振型包括扭擺和撓動振型。
8、 如權(quán)利要求6所述的氣腳支撐工作臺的設(shè)計(jì)方法，其特征在于，得到 隨氣腳剛度變化的模態(tài)曲線，氣腳剛度值為曲線急劇上升后到模態(tài)增長突然 減緩的轉(zhuǎn)折點(diǎn)，此處剛度值為氣腳強(qiáng)化工作臺的最大效率點(diǎn)。
9、 如權(quán)利要求6所述的氣腳支撐工作臺的設(shè)計(jì)方法，其特征在于，得到 隨氣腳剛度變化的模態(tài)曲線，氣腳剛度值為曲線中對應(yīng)工作臺達(dá)到需要的模 態(tài)高度時的剛度值，此處剛度值為氣腳剛度的下限。
10、 如權(quán)利要求1一10任一所述的氣腳支撐工作臺的設(shè)計(jì)方法，其特征在 于，所述的氣腳支撐工作臺為多軸數(shù)控鉆機(jī)工作臺。
全文摘要
一種氣腳支撐工作臺的設(shè)計(jì)方法，包括步驟A1.確定有限元模型根據(jù)工作臺建立相應(yīng)實(shí)心長方體的幾何形態(tài)形成有限元模型；A2.確定氣腳位置通過改變氣腳與對稱中心的距離采樣一組有限元模型，獲取更優(yōu)化的模型至獲取符合精度需求的氣腳位置；A3.確定氣腳剛度根據(jù)工作臺的具體形態(tài)建立有限元模型，進(jìn)行氣腳的模態(tài)分析以獲取氣腳剛度；A4.確定氣腳預(yù)載對有限元模型進(jìn)行靜力學(xué)分析，獲取氣腳支撐處等效彈簧的總反力。本發(fā)明能夠確保工作臺達(dá)到設(shè)計(jì)要求的穩(wěn)定性和機(jī)械性能；節(jié)約大量測量和樣品試驗(yàn)所消耗的資源和時間；可以在概念和設(shè)計(jì)階段，而未投入實(shí)際生產(chǎn)之前達(dá)到目的；實(shí)施要求低，便捷快速；能準(zhǔn)確輸出氣腳的具體參數(shù)結(jié)論。
文檔編號B23Q1/25GK101417393SQ20081021760
公開日2009年4月29日 申請日期2008年11月21日 優(yōu)先權(quán)日2008年11月21日
發(fā)明者葉愛鵬, 宋福民, 崔彥州, 寧 李, 肖俊君, 群 雷, 高云峰 申請人:深圳市大族激光科技股份有限公司;深圳市大族數(shù)控科技有限公司