本发明涉及机床设计领域，尤其涉及一种五轴机床全加工域的静刚度建模及分析方法。
背景技术：
1、机加工过程中引起加工误差的因素众多，其中静刚度引起的形变误差是机加工过程出现让刀变形现象的重要原因。随着刀具制造工艺的日益精进，在复杂工件的加工过程中，由于给定加工域的复杂姿态限定，五轴机床各运动轴集成体的自身系统刚度变形成为了导致让刀变形的重要原因。
2、针对机床静刚度的建模分析，国内外学者也做出了一些研究成果。e.budak在国际期刊international journal of machine tools and manufacture《国际机床与制造杂志》2006年第46期第1478-1488页《高性能铣削的分析模型第一部分：切削力、结构变形和公差完整性》文中，主要针对机床的刀具部分进行了悬臂梁模型建模。闫蓉等人在国际期刊intelligent robotics and applications《智能机器人及其应用》2008年第1013-1021页《多轴机床通用刚度建模方法》文中，基于点传递矩阵法计算了多轴机床运动轴集合体的整体刚度。闫蓉等人还在《机械工程学报》2012年48卷第13期第121-126页《多轴加工系统闭链刚度场建模与刚度性能分析》文中，融合多种建模方法综合成一种工件至刀具闭链刚度场模型。还有中国学者提出对有限元求解的刚度矩阵作出简化的思想，使得刚度矩阵回归六维方阵的形式，具有了物理意义。
3、上述研究现状大多针对部件整体进行数值方式建模构造，没有依据各进给机构中支承件的引导方向(即运动轴的运动方向)进行解耦分析，模型复杂，计算量巨大；此外大多运动模块的刚度系数由应变片试验测得，导致对应刚度矩阵由定常数组成，而真实加工工况下的形变随着受载点在行程位置上的改变而连续变化，故传统处理方法存在一定的不足。
技术实现思路
1、本发明所要解决的技术问题在于克服上述问题，而提供一种五轴机床全加工域的静刚度建模及分析方法，能够匹配五轴行程值计算出整个加工过程中各刀位点的形变偏移量，而且能进行全加工域的薄弱点分析，可为后续加工过程的刚度优化提供指导。
2、本发明的技术方案是：
3、一种五轴机床全加工域的静刚度建模及分析方法，其特征在于，具体包括以下步骤：
4、步骤1：定义组成进给机构运动副的构件分别为支承件、负载件，针对机床的直线轴进给机构和回转轴进给机构分别定义其支承件的等效形变点；
5、步骤2：针对各级进给机构的支承件，利用有限元法获取支承件受载点的形变偏移量，根据受载点位置分布映射获得等效形变点的等效偏移量，遍历受载点在进给行程上的位置得到多组偏移数据，运用回归分析建立进给机构各支承件的六维度全解析柔度矩阵；
6、步骤3：根据机床运动链的拓扑结构，分别沿刀具端和工件端两条运动链方向传递累加各级支承件等效形变点的等效偏移量，得到刀具端最末等效形变点的累计偏移量以及工件端最末等效形变点的累计偏移量，以床身为中间节点联立刀具端与工件端的累计偏移量，建立机床坐标系下整机静刚度解析模型；
7、步骤4：运用整机静刚度解析模型，根据加工刀轨的五轴行程分布数据，建立刀轨全加工域的静刚度形变程度评价模型，进行静刚度薄弱点分析和加工过程的运动均衡性评价。
8、进一步的，在上述的五轴机床全加工域的静刚度建模及分析方法中，步骤1中，等效形变点的定义方式为：定义直线轴进给机构支承件的等效形变点为支承件上多个受载点的几何中心；定义回转轴进给机构支承件的等效形变点为支承件与负载件接触的铰接圆柱面的中心圆圆心。
9、进一步的，在上述的五轴机床全加工域的静刚度建模及分析方法中，步骤2中，针对各级进给机构的支承件，利用有限元分析软件分别对每个受载点施加六个方向的单位载荷，获取每个受载点在不同方向单位载荷作用下的形变偏移量，根据受载点位置分布映射获得等效形变点的等效偏移量，遍历受载点在进给行程上的位置得到多组偏移数据，最终对进给机构的行程值与等效形变点的等效偏移量建立回归方程，以此获得各级支承件的六维度全解析柔度矩阵：
10、
11、其中，si表示i轴进给机构支承件的六维度全解析柔度矩阵，disp_i表示i轴进给机构的行程值，si(disp_i)表示i轴进给机构支承件的六维度全解析柔度矩阵是该轴进给机构行程值disp_i的函数，矩阵元素sxy(disp_i)描述的是i轴进给机构支承件等效形变点在沿x向的单位载荷下产生的y向的偏移，是关于该轴进给机构行程值disp_i的解析函数，矩阵元素syα(disp_i)描述的是i轴进给机构支承件等效形变点在沿y向的单位载荷下产生的α向的角度偏转，是关于该轴进给机构行程值disp_i的函数，其他矩阵元素同理。
12、进一步的，在上述的五轴机床全加工域的静刚度建模及分析方法中，步骤2中，针对直线轴进给机构，支承件受载点在直线进给行程上的位置采取等线性距离偏移的方法遍历整个直线行程范围；针对回转轴进给机构，支承件受载点在回转进给行程上的位置采取以下方法进行遍历：在支承件与负载件接触的铰接圆柱面的中心圆上按等角度距离偏移的方法遍历整个回转行程范围。
13、进一步的，在上述的五轴机床全加工域的静刚度建模及分析方法中，步骤3中，根据进给机构与床身的远近关系，定义每条运动链中距离床身最近的进给机构为1级进给机构，级别沿远离床身方向按自然数依次增长；分别沿刀具端和工件端两条运动链方向传递累加各级支承件等效形变点的等效偏移量，运动链中相邻支承件的形变传导公式为：
14、
15、
16、
17、式中，m表示该量是在机床坐标系下表达的，分别为i+1级、i级进给机构支承件等效形变点的综合偏移量，为i级进给机构支承件综合偏移量所产生的传递偏移量，为偏移传递公式，mpi+1,i为相邻两级进给机构支承件等效变形点之间的相对位移，是关于机床行程值的函数，×为叉乘算子，i是一个3x3的单位矩阵，mfi+1_equal为施加在i+1级进给机构支承件与负载件结合面上的等效力，msi+1为i+1级进给机构支承件的六维度全解析柔度矩阵，为在mfi+1_equal载荷下i+1级进给机构支承件等效形变点的等效偏移量；
18、根据上述形变传导公式通过链式求解，得到刀具端最末等效形变点的累计偏移量以及工件端最末等效形变点的累计偏移量，以床身为中间节点联立刀具端和工件端的累计偏移量，得到由于机床静刚度形变引起的刀位点与工件相对位置的综合偏移误差，建立机床坐标系下整机静刚度解析模型：
19、k(x,y,z,α,β)＝mδbias
20、
21、式中，m表示该量是在机床坐标系下表达的，k为机床坐标系下整机静刚度解析模型，是关于五轴行程值(x,y,z,α,β)的函数，为刀具端最末等效形变点的累计偏移量，为工件端最末等效形变点的累计偏移量，mδbias为刀位点与工件相对位置的综合偏移误差。
22、进一步的，在上述的五轴机床全加工域的静刚度建模及分析方法中，步骤4中，联立刀具端形变传导公式并进行规整，得到刀具端综合柔度矩阵，联立工件端形变传导公式并进行规整，得到工件端综合柔度矩阵，最终得到整机综合柔度矩阵：
23、
24、
25、mstotal＝msl-msr
26、式中，m表示该量是在机床坐标系下表达的，msl表示刀具端综合柔度矩阵，fd_equal为施加在刀具端最末端的等效力，msr表示工件端综合柔度矩阵，mfw_equal为施加在工件端最末端的等效力，mstotal表示整机综合柔度矩阵。
27、进一步的，在上述的五轴机床全加工域的静刚度建模及分析方法中，步骤4中，建立刀轨全加工域的静刚度形变程度评价模型：
28、
29、其中，f为整个加工过程中的总体刚度形变评价值，(x,y,z,α,β)表示各刀位点的五轴行程值，i表示刀位点的序号，n表示刀位点总数，coef(i)表示第i个刀位点的加工重要性赋权系数，coef∈[1,10]，stotal(i)表示刀具位于第i个刀位点时的整机综合柔度矩阵，f*为广义标量化算子；
30、根据给定加工刀轨的刀具轨迹(dx,dy,dz)和刀轴矢量通过机床运动学模型逆解获得各刀位点的五轴行程值(x,y,z,α,β)，将这些五轴行程值输入静刚度形变程度评价模型，通过stotal(i)*f*的计算得到各刀位点的刚度形变水平，分析出薄弱刀位点，并结合赋权系数，得到整个加工过程中的总体刚度形变评价值f，以此量化并评估出加工过程的运动均衡性。
31、本发明的有益效果是：
32、1、本方法将整机各运动链进行解耦分析，分别对直线轴和回转轴进给机构的支承件进行单独建模，避免了将整机耦合一起所带来的复杂度，模型更简单，计算量更小，而且对部件参数和边界条件的变化敏感性小，模型的精度和鲁棒性更好；
33、2、本方法完全基于有限元数值仿真，获得了与受载位置相关的解析柔度矩阵，能精确描述刚度随运动位置的变化规律，避免了应变片测试所带来的局限性；
34、3、传统的静刚度建模方法往往只针对某些特定工作点进行分析，无法反映出整个加工域内静刚度的变化情况，本方法获得的静刚度解析模型能够匹配五轴行程值计算出整个加工过程中各刀位点的综合偏移误差，覆盖五轴机床全加工域；
35、4、本方法获得全加工域的静刚度形变程度评价模型，能够针对给定的加工刀轨，分析出加工域内的静刚度薄弱点，同时评价模型内置了对薄弱点赋予高权重的策略，以此对精度要求较高的刀位点进行刚度变形控制，评估出加工过程的运动均衡性，可为后续加工过程的刚度优化提供指导，有助于进一步提高加工精度和效率。
1.一种五轴机床全加工域的静刚度建模及分析方法，其特征在于，具体包括以下步骤：
2.根据权利要求1所述的五轴机床全加工域的静刚度建模及分析方法，其特征在于：步骤1中，等效形变点的定义方式为：定义直线轴进给机构支承件的等效形变点为支承件上多个受载点的几何中心；定义回转轴进给机构支承件的等效形变点为支承件与负载件接触的铰接圆柱面的中心圆圆心。
3.根据权利要求2所述的五轴机床全加工域的静刚度建模及分析方法，其特征在于：步骤2中，针对各级进给机构的支承件，利用有限元分析软件分别对每个受载点施加六个方向的单位载荷，获取每个受载点在不同方向单位载荷作用下的形变偏移量，根据受载点位置分布映射获得等效形变点的等效偏移量，遍历受载点在进给行程上的位置得到多组偏移数据，最终对进给机构的行程值与等效形变点的等效偏移量建立回归方程，以此获得各级支承件的六维度全解析柔度矩阵：
4.根据权利要求1或3所述的五轴机床全加工域的静刚度建模及分析方法，其特征在于：步骤2中，针对直线轴进给机构，支承件受载点在直线进给行程上的位置采取等线性距离偏移的方法遍历整个直线行程范围；针对回转轴进给机构，支承件受载点在回转进给行程上的位置采取以下方法进行遍历：在支承件与负载件接触的铰接圆柱面的中心圆上按等角度距离偏移的方法遍历整个回转行程范围。
5.根据权利要求3所述的五轴机床全加工域的静刚度建模及分析方法，其特征在于：步骤3中，根据进给机构与床身的远近关系，定义每条运动链中距离床身最近的进给机构为1级进给机构，级别沿远离床身方向按自然数依次增长；分别沿刀具端和工件端两条运动链方向传递累加各级支承件等效形变点的等效偏移量，运动链中相邻支承件的形变传导公式为：
6.根据权利要求5所述的五轴机床全加工域的静刚度建模及分析方法，其特征在于：步骤4中，联立刀具端形变传导公式并进行规整，得到刀具端综合柔度矩阵，联立工件端形变传导公式并进行规整，得到工件端综合柔度矩阵，最终得到整机综合柔度矩阵：
7.根据权利要求6所述的五轴机床全加工域的静刚度建模及分析方法，其特征在于：步骤4中，建立刀轨全加工域的静刚度形变程度评价模型：
