[發明專利]一種基于全局敏感度分析的三軸數控機床的關鍵性幾何誤差辨識方法

有效

• 申請號: 201410234462.X
• 申請日: 2014-05-29
• 公開（公告）號: CN104007700A
• 公開（公告）日: 2014-08-27
• 發明（設計）人: 程強;趙宏偉;馮秋楠;祁卓;劉志峰
• 申請（專利權）人: 北京工業大學
• 主分類號: G05B19/401
• 分類號: G05B19/401
• 代理公司: 北京思海天達知識產權代理有限公司 11203
• 代理人: 沈波

技術領域

本發明涉及一種三軸機床的關鍵性幾何誤差辨識方法，屬于機床精度設計領域。

背景技術

作為機械設備生產的機械制造業，為整個國民經濟提供技術裝備，其發展水平是國家工業化程度的主要標志之一，隨著現代科學技術的飛速發展，精密超精密加工技術已經成為現代機械制造業發展的主要趨勢。數控機床是一種高精度、高效率、高技術的現代機電設備，作為先進制造技術的基礎與核心設備，越來越廣泛的應用于機械生產之中，并制約著制造領域和各高新科技的發展。而衡量數控機床設計與使用性能的重要指標是數控機床的精度。

數控機床的精度指標主要有加工精度、定位精度和重復定位精度，其中加工精度是數控機床追求的最終精度，體現著機械制造業的制造能力和發展水平，也是整個國家科技和工業水平的重要標志之一。機床的幾何誤差是指由于機床設計、制造、裝配等中的缺陷，使得機床中各組成環節或部件的實際幾何參數和位置相對于理想幾何參數和位置發生偏離。該誤差一般與機床各個組成環節或部件的幾何要素有關，是機床本身固有的誤差。

機床的幾何誤差直接影響刀具加工點的位置誤差，50％的加工誤差都是由機床的幾何誤差引起的。機床具有多種幾何誤差，包括定位誤差，直線度誤差，滾擺誤差，顛擺誤差，偏擺誤差，以及運動軸之間的垂直度和平行度誤差等。這些誤差的相互耦合作用影響機床的加工精度。如何辨識出對加工精度影響較大的幾何誤差項，并且有效的控制它們是提高機床加工精度的關鍵問題。

為了解決這一關鍵性的問題，需要兩個重要步驟：

第一、根據幾何誤差之間的關系，建立機床的空間誤差模型；

國內外專家學者一直在建立數控機床空間誤差模型領域進行不懈的探索和研究，開展了多方面的工作。例如三角關系建模法、誤差矩陣法、二次關系模型法、機構學建模法、剛體運動學法等。多體系統運動特征分析方法采用齊次列陣表示點的位置和矢量的姿態，在多體系統中建立廣義坐標系，將三軸機床抽象為多體系統，將在理想條件下和實際條件下的靜態和動態過程中的體間的相對位置和姿態變化以及誤差情況作了統一的、完整的描述，使多體系統誤差的分析變得簡單、迅速、明了和普遍適用，從而為實現計算機快速建模提供基礎。

第二、結合空間誤差模型，辨識影響機床加工精度的關鍵性幾何誤差。

敏感度分析是一種分析和量化輸入參數和輸出參數之間關系的有效方法，并且已經被應用于分析系統輸入參數的隨機波動對系統響應的影響。敏感度分析方法可以分為局部敏感度分析方法和全局敏感度分析方法。局部敏感度分析針對單一因素變化，有較強的可操作性，但忽視了多個因素相互作用時各因素之間的相互作用以及對整個系統的影響。全局敏感度分析基于參數的梯度和概率分布，允許因素同時變化且變化范圍可以不同，可以考慮參數在整個空間內變化對系統輸出的響應，且可以在分析單一參數對系統輸出影響的同時分析不同參數之間的相互作用對系統輸出的影響。因此，本發明采用全局敏感度分析方法來分析三軸機床的幾何誤差的敏感度。

本發明在多體系統運動特征分析方法的基礎上，建立了機床的空間誤差分析模型，隨后對機床進行了全局敏感度分析，得出了各項幾何誤差的敏感度系數。

發明內容

本發明的目的是提供一種基于全局敏感度分析的三軸數控機床的關鍵性幾何誤差辨識方法。通過建立機床的空間誤差模型，分析各項幾何誤差的耦合作用對加工精度的影響程度，提出新的機床設計和改進理念，從根本上解決機床精度問題。

為實現上述目的，本發明采用的技術方案為一種基于全局敏感度分析的三軸數控機床的關鍵性幾何誤差辨識方法，本發明通過多體系統運動特征分析方法建立機床的空間誤差模型，并結合全局敏感度分析方法，分析機床各項幾何誤差的耦合作用對加工精度的影響程度，從而辨識出影響加工精度的關鍵性幾何誤差。

如圖1所示，本方法的具體包括如下步驟：

步驟一為三軸機床設置廣義坐標系，并建立機床的空間誤差模型。

基于多體系統運動學理論，采用低序體陣列描述抽象機床系統的拓撲結構，在多體系統中建立廣義坐標系，用矢量及其列向量表達位置關系，用齊次變換矩陣表示多體系統間的相互關系；

步驟1.1建立三軸機床的拓撲結構

分析機床的結構，定義三軸機床的各個組成部件，以及刀具和工件為“典型體”，用“B_j”表示，其中j＝1,2,3…n,j表示各典型體的序號,n表示機床所包含典型體的個數。

典型體的編號規則如下：

1.選定床身為典型體“B₁”