[發(fā)明專利]一種數(shù)控機床加工精度可靠性敏感度分析方法

有效

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• 申請日: 2014-11-17
• 公開（公告）號: CN104375460B
• 公開（公告）日: 2017-09-22
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 程強;趙宏偉;馮秋男;李凱;祁卓;劉志峰
• 申請（專利權(quán)）人: 北京工業(yè)大學
• 主分類號: G05B19/406
• 分類號: G05B19/406
• 代理公司: 北京思海天達知識產(chǎn)權(quán)代理有限公司11203
• 代理人: 沈波

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及一種數(shù)控機床加工精度可靠性敏感度分析方法，屬于機床精度設(shè)計領(lǐng)域。

技術(shù)背景

作為機械設(shè)備生產(chǎn)的機械制造業(yè)，為整個國民經(jīng)濟提供技術(shù)裝備，其發(fā)展水平是國家工業(yè)化程度的主要標志之一，隨著現(xiàn)代科學技術(shù)的飛速發(fā)展，精密超精密加工技術(shù)已經(jīng)成為現(xiàn)代機械制造業(yè)發(fā)展的主要趨勢。數(shù)控機床是一種高精度、高效率、高技術(shù)的現(xiàn)代機電設(shè)備，作為先進制造技術(shù)的基礎(chǔ)與核心設(shè)備，越來越廣泛的應用于機械生產(chǎn)之中，并制約著制造領(lǐng)域和各高新科技的發(fā)展。隨著現(xiàn)代科學技術(shù)的飛速發(fā)展，精密和超精密加工技術(shù)已經(jīng)成為現(xiàn)代機械制造業(yè)發(fā)展的主要趨勢，所以數(shù)控機床的加工精度可靠性問題受到全世界的廣泛關(guān)注。

數(shù)控機床的加工精度可靠性指標主要是指：機床在給定時間內(nèi)，滿足特定加工精度要求的能力，體現(xiàn)著機械制造業(yè)的制造能力和發(fā)展水平，也是整個國家科技和工業(yè)水平的重要標志之一。機床的幾何誤差是指由于機床設(shè)計、制造、裝配等中的缺陷，使得機床中各組成環(huán)節(jié)或部件的實際幾何參數(shù)和位置相對于理想幾何參數(shù)和位置發(fā)生偏離。該誤差一般與機床各個組成環(huán)節(jié)或部件的幾何要素有關(guān)，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。這些誤差的波動作用影響機床的加工精度及加工精度可靠性。如何辨識出對加工精度可靠性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可靠性的關(guān)鍵問題。

為了解決這一關(guān)鍵性的問題，需要三個重要步驟：

第一、根據(jù)幾何誤差之間的關(guān)系，建立機床的空間誤差模型；

國內(nèi)外專家學者一直在建立數(shù)控機床空間誤差模型領(lǐng)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(guān)系建模法、誤差矩陣法、二次關(guān)系模型法、機構(gòu)學建模法、剛體運動學法等。多體系統(tǒng)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(tài)，在多體系統(tǒng)中建立廣義坐標系，將三軸機床抽象為多體系統(tǒng)，將在理想條件下和實際條件下的靜態(tài)和動態(tài)過程中的體間的相對位置和姿態(tài)變化以及誤差情況作了統(tǒng)一的、完整的描述，使多體系統(tǒng)誤差的分析變得簡單、迅速、明了和普遍適用，從而為實現(xiàn)計算機快速建模提供基礎(chǔ)。

第二、采用蒙特卡洛數(shù)字模擬的方法，對機床的加工精度可靠性進行分析；

第三、采用蒙特卡洛數(shù)字模擬的方法，對機床的加工精度可靠性進行敏感度分析。

蒙特卡羅數(shù)字模擬方法，又稱隨機抽樣或統(tǒng)計試驗方法，它是在本世紀四十年代中期為了適應當時原子能事業(yè)的發(fā)展而發(fā)展起來的。傳統(tǒng)的經(jīng)驗方法由于不能逼近真實的幾何誤差隨機波動過程，很難得到滿意的結(jié)果，而蒙特卡羅方法由于能夠真實地模擬實際幾何誤差隨機波動過程，故解決機床加工精度可靠性及加工精度可靠性敏感度問題與實際非常符合，可以得到很圓滿的結(jié)果。

本發(fā)明在多體系統(tǒng)運動特征分析方法的基礎(chǔ)上，建立了機床的空間誤差分析模型，隨后對機床進行了加工精度可靠性分析，以及各項幾何誤差對機床的加工精度可靠性的敏感度分析，得出了各項幾何誤差的敏感度系數(shù)。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的是提供一種三軸數(shù)控機床的加工精度可靠性以及幾何誤差對加工精度可靠性的敏感度的分析方法。通過建立機床的空間誤差模型，分析機床的加工精度可靠性，進一步分析各項幾何誤差對加工精度可靠性的影響程度，提出新的機床設(shè)計和改進理念，從根本上解決機床加工精度可靠性問題。

本發(fā)明的特征在于通過多體系統(tǒng)運動特征分析方法建立機床的空間誤差模型，并結(jié)合蒙特卡洛數(shù)字模擬方法，分析機床的加工精度可靠性，以及機床各項幾何誤差的波動作用對加工精度可靠性的影響程度，從而辨識出影響加工精度可靠性的關(guān)鍵性幾何誤差。可為機床的設(shè)計，裝配和加工提出指導性建議，從根本上提高機床的加工精度可靠性。

如圖1所示，本方法具體包括如下步驟：

步驟1 為三軸機床設(shè)置廣義坐標系，并建立機床的空間誤差模型。

基于多體系統(tǒng)運動學理論，采用低序體陣列描述抽象機床系統(tǒng)的拓撲結(jié)構(gòu)，在多體系統(tǒng)中建立廣義坐標系，用矢量及其列向量表達位置關(guān)系，用齊次坐標變換矩陣表示多體系統(tǒng)間的相互關(guān)系；

步驟1.1 建立三軸機床的拓撲結(jié)構(gòu)

分析機床的結(jié)構(gòu)，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＝1，2，3，4…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(shù)。

典型體的編號規(guī)則如下：