[發(fā)明專利]一種影響三軸加工中心精度衰變的關(guān)鍵誤差源識別方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201810762241.8
• 申請日: 2018-07-12
• 公開（公告）號: CN108873810B
• 公開（公告）日: 2021-03-12
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 李多祥;張冬;呂博;譚嬌;張云峰;董彥宏;徐鳳亮;李云;王瑞
• 申請（專利權(quán)）人: 沈陽機(jī)床股份有限公司
• 主分類號: G05B19/404
• 分類號: G05B19/404
• 代理公司: 沈陽杰克知識產(chǎn)權(quán)代理有限公司 21207
• 代理人: 胡洋

1.一種影響三軸加工中心精度衰變的關(guān)鍵誤差源識別方法，其特征在于，

首先利用精度測量裝置獲取機(jī)床各項(xiàng)精度在不同測量時間節(jié)點(diǎn)的誤差值，計算各精度項(xiàng)從首次測量到各測量時間節(jié)點(diǎn)的誤差均值，并確定各項(xiàng)精度的誤差均值分布區(qū)間；

然后，將各項(xiàng)誤差均值綜合于刀具成形點(diǎn)，并將空間分布的誤差均值在空間維上進(jìn)行綜合，進(jìn)而建立三軸加工中心的綜合空間誤差均值模型；

最后，依據(jù)各項(xiàng)誤差均值分布區(qū)間，采用靈敏度分析方法，分析區(qū)間內(nèi)各精度指標(biāo)的誤差均值對綜合空間誤差均值的影響，確定綜合空間誤差對各項(xiàng)精度指標(biāo)的敏感度，完成關(guān)鍵誤差源的識別。

2.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，具體步驟如下：

第一步，各項(xiàng)精度指標(biāo)的測量與誤差均值的計算

首先，采用精度檢測設(shè)備檢測三軸加工中心于不同時間節(jié)點(diǎn)t_i(i＝1,2L n)的各項(xiàng)精度指標(biāo)的誤差；其中，i為檢測次數(shù)；三軸加工中心測量誤差項(xiàng)及其對應(yīng)的編號如表1所示，

表1：三軸加工中心測量誤差項(xiàng)及其對應(yīng)編號

然后，假設(shè)各項(xiàng)測量誤差在相鄰測量時間節(jié)點(diǎn)內(nèi)均勻變化，那么，編號j的誤差從首次測量時間節(jié)點(diǎn)t₁到第i次測量時間節(jié)點(diǎn)t_i間的誤差均值為，

式中，為第k次測量編號j誤差的檢測結(jié)果；t_k為第k次測量的時間節(jié)點(diǎn)；

接著，確定編號j的誤差從首次測量時間節(jié)點(diǎn)t₁到各次測量時間節(jié)點(diǎn)t_i(i＝1,2L n)的誤差均值分布區(qū)間其中，分別為計算后編號j的誤差項(xiàng)在首次測量時間節(jié)點(diǎn)t₁到各次測量時間節(jié)點(diǎn)t_i(i＝1,2L n)間誤差均值的最小值與最大值；

最后，按照上述方法，得到各精度項(xiàng)從首次測量時間節(jié)點(diǎn)t₁到各次測量時間節(jié)點(diǎn)t_i(i＝1,2L n)的誤差均值及其分布區(qū)間；

第二步，綜合空間誤差均值模型的建立

抽象三軸加工中心系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，并采用低序體陣列進(jìn)行描述；通過建立廣義坐標(biāo)系，采用奇次坐標(biāo)變換矩陣將機(jī)床各部分誤差傳遞于刀具成形點(diǎn)；

首先，建立三軸加工中心拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)；將機(jī)床各組成結(jié)構(gòu)定義為典型體集，規(guī)定第i個典型體為A_i(i＝1,2L N)，N為機(jī)床典型體個數(shù)；將機(jī)床床身定義為典型體A₁，并按照裝配順序分別沿著刀具與工件兩條支鏈依次編號，編號方向?yàn)檫h(yuǎn)離床身的組件方向；其中，在床身與刀具間的典型體個數(shù)為v；

然后，建立三軸加工中心的特征矩陣；每個典型體共有6個自由度；為表示各部件間相互位置關(guān)系，在各典型體A_i上建立與其固定聯(lián)接的右手直角笛卡爾坐標(biāo)系o_i-x_i-y_i-z_i；規(guī)定所有典型體相對應(yīng)的坐標(biāo)軸分別對應(yīng)平行；坐標(biāo)軸正方向與其對應(yīng)運(yùn)動軸正方向相同；

相鄰典型體A_i與A_j間存在著理想狀態(tài)下的靜態(tài)、相互運(yùn)動關(guān)系以及實(shí)際包含誤差的靜態(tài)、相互運(yùn)動關(guān)系；當(dāng)?shù)湫腕w間為相互運(yùn)動關(guān)系時，其對應(yīng)坐標(biāo)系間的運(yùn)動特征矩陣以及運(yùn)動誤差特征矩陣為如表2所示；

表2：理想運(yùn)動特征矩陣與運(yùn)動誤差特征矩陣

其中，為編號j的誤差均值；o_ijx、o_ijy、o_ijz分別為典型體A_i坐標(biāo)系原點(diǎn)o_i相對于典型體A_j坐標(biāo)系原點(diǎn)o_j在x、y、z方向的初始位置偏移；M_ij為典型體A_i與A_j間的理想運(yùn)動特征矩陣；△M_ij為典型體A_i與A_j間的運(yùn)動誤差特征矩陣；x_l、y_l、z_l為為機(jī)床在x軸、y軸、z軸運(yùn)動位置；

設(shè)定典型體A_i與A_j間為相互靜止的關(guān)系時，理想靜態(tài)特征矩陣與靜態(tài)誤差特征矩陣為I_4×4。設(shè)定刀具成形點(diǎn)在刀具坐標(biāo)系內(nèi)的坐標(biāo)為P_t＝(P_tx,P_ty,P_tz)，工件成形點(diǎn)在工件坐標(biāo)系內(nèi)的坐標(biāo)為P_w＝(P_wx,P_wy,P_wz)；

在理想狀態(tài)下，機(jī)床沒有誤差，即各項(xiàng)誤差變化均值為零；因此刀具成形點(diǎn)與工件成形點(diǎn)重合，可以表達(dá)為，

P_w,ideal＝[M_1(v+2)L M_N(N-1)]^-1[M₁₂L M_v(v+1)]P_t (2)

式中M_ij為典型體A_i與A_j間的理想運(yùn)動特征矩陣；P_w,ideal為理想條件下工件成形點(diǎn)在工件坐標(biāo)系內(nèi)的坐標(biāo)；P_t為刀具成形點(diǎn)在刀具坐標(biāo)系內(nèi)的坐標(biāo)；v為床身與刀具間的典型體個數(shù)；N為機(jī)床典型體總個數(shù)；

在實(shí)際工況下，機(jī)床各項(xiàng)誤差變化均值不為零，因此刀具成形點(diǎn)與工件成形點(diǎn)關(guān)系可以表達(dá)為：

P_w＝[M_1(v+2)△M_1(v+2)L M_N(N-1)△M_N(N-1)]^-1[M₁₂△M₁₂L M_v(v+1)△M_v(v+1)]P_t (3)

式中M_ij為典型體A_i與A_j間的理想運(yùn)動特征矩陣；△M_ij為典型體A_i與A_j間的運(yùn)動誤差特征矩陣；P_w為實(shí)際條件下工件成形點(diǎn)在工件坐標(biāo)系內(nèi)的坐標(biāo)；P_t為刀具成形點(diǎn)在刀具坐標(biāo)系內(nèi)的坐標(biāo)；

因此，三軸加工中心空間誤差均值模型為：

E＝[E_x,E_y,E_z,0]^T＝P_w,ideal-P_w (4)

其中，E_x為沿x方向的空間誤差均值；E_y為沿y方向的空間誤差均值；E_z為沿z方向的空間誤差均值。

可以進(jìn)一步表示為：

其中，為三軸加工中心各項(xiàng)誤差均值集合T＝[x_t,y_t,z_t,0]^T為刀具加工點(diǎn)在刀具坐標(biāo)系中的坐標(biāo)，t為刀具；L＝[x_l,y_l,z_l,0]^T為機(jī)床在x軸、y軸、z軸運(yùn)動位置；

設(shè)定刀具加工點(diǎn)在刀具坐標(biāo)系中的坐標(biāo)為定值；設(shè)定空間誤差在x、y、z三個方向同等重要，則機(jī)床沿x方向、沿y方向、沿z方向的綜合空間誤差均值為，

其中，l_x為機(jī)床x軸的運(yùn)動行程；l_y為機(jī)床y軸的運(yùn)動行程；l_z為機(jī)床z軸的運(yùn)動行程；

第三步，精度衰變的敏感度分析

將編號1～21項(xiàng)誤差均值組成的21維單元體的空間域Ω²¹作為輸入量，并在空間域Ω²¹中的各誤差均值進(jìn)行采樣，采樣范圍為各項(xiàng)誤差均值分布區(qū)間，如編號j誤差均值采樣范圍為采樣為5000次，得到兩個5000×21的采樣集合；

因此，沿x方向綜合空間誤差均值對編號j誤差均值的敏感度為，

沿y方向綜合空間誤差均值對編號j誤差均值的敏感度為，

沿z方向綜合空間誤差均值對編號j誤差均值的敏感度為，

其中，為第1個采樣集合中的第m個采樣數(shù)組中，除去編號j誤差均值的其余誤差均值數(shù)據(jù)；為第2個采樣集合中的第m個采樣數(shù)組中，除去編號j誤差均值的其余誤差均值數(shù)據(jù)；為第1個采樣幾何中第m個采樣數(shù)組中編號j誤差均值數(shù)據(jù)。