一種基於全局敏感度分析的三軸數控工具機的關鍵性幾何誤差辨識方法
2023-05-15 02:03:06
一種基於全局敏感度分析的三軸數控工具機的關鍵性幾何誤差辨識方法
【專利摘要】一種基於全局敏感度分析的三軸數控工具機的關鍵性幾何誤差辨識方法，屬於工具機精度設計領域，具體涉及到三軸工具機的空間誤差的建模方法和幾何誤差的全局敏感度分析方法。在多體理論建立的工具機空間誤差模型與幾何誤差測量的基礎上，對工具機的各項幾何誤差進行全局敏感度分析，得出各項幾何誤差的耦合作用對加工精度的影響程度。提出新的工具機設計理念，從根本上解決工具機精度問題。也可為實際裝配和加工提出指導性建議，從而減小誤差的輸出，提高數控工具機加工精度，從根本上解決工具機精度問題。
【專利說明】一種基於全局敏感度分析的三軸數控工具機的關鍵性幾何誤差辨識方法【技術領域】
[0001]本發明涉及一種三軸工具機的關鍵性幾何誤差辨識方法，屬於工具機精度設計領域。【背景技術】
[0002]作為機械設備生產的機械製造業，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誌之一，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製造業發展的主要趨勢。數控工具機是一種高精度、高效率、高技術的現代機電設備，作為先進位造技術的基礎與核心設備，越來越廣泛的應用於機械生產之中，並制約著製造領域和各高新科技的發展。而衡量數控工具機設計與使用性能的重要指標是數控工具機的精度。
[0003]數控工具機的精度指標主要有加工精度、定位精度和重複定位精度，其中加工精度是數控工具機追求的最終精度，體現著機械製造業的製造能力和發展水平，也是整個國家科技和工業水平的重要標誌之一。工具機的幾何誤差是指由於工具機設計、製造、裝配等中的缺陷，使得工具機中各組成環節或部件的實際幾何參數和位置相對於理想幾何參數和位置發生偏離。該誤差一般與工具機各個組成環節或部件的幾何要素有關，是工具機本身固有的誤差。
[0004]工具機的幾何誤差直接影響刀具加工點的位置誤差，50%的加工誤差都是由工具機的幾何誤差引起的。工具機具有多種幾何誤差，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工具機的加工精度。如何辨識出對加工精度影響較大的幾何誤差項，並且有效的控制它們是提高工具機加工精度的關鍵問題。 [0005]為了解決這一關鍵性的問題，需要兩個重要步驟:
[0006]第一、根據幾何誤差之間的關係，建立工具機的空間誤差模型；
[0007]國內外專家學者一直在建立數控工具機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。例如三角關係建模法、誤差矩陣法、二次關係模型法、機構學建模法、剛體運動學法等。多體系統運動特徵分析方法採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，將三軸工具機抽象為多體系統，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。
[0008]第二、結合空間誤差模型，辨識影響工具機加工精度的關鍵性幾何誤差。
[0009]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係的有效方法，並且已經被應用於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。全局敏感度分析基於參數的梯度和概率分布，允許因素同時變化且變化範圍可以不同，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，本發明採用全局敏感度分析方法來分析三軸工具機的幾何誤差的敏感度。
[0010]本發明在多體系統運動特徵分析方法的基礎上，建立了工具機的空間誤差分析模型，隨後對工具機進行了全局敏感度分析，得出了各項幾何誤差的敏感度係數。
【發明內容】
[0011]本發明的目的是提供一種基於全局敏感度分析的三軸數控工具機的關鍵性幾何誤差辨識方法。通過建立工具機的空間誤差模型，分析各項幾何誤差的耦合作用對加工精度的影響程度，提出新的工具機設計和改進理念，從根本上解決工具機精度問題。
[0012]為實現上述目的，本發明採用的技術方案為一種基於全局敏感度分析的三軸數控工具機的關鍵性幾何誤差辨識方法，本發明通過多體系統運動特徵分析方法建立工具機的空間誤差模型，並結合全局敏感度分析方法，分析工具機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。
[0013]如圖1所示，本方法的具體包括如下步驟:
[0014]步驟一為三軸工具機設置廣義坐標系，並建立工具機的空間誤差模型。
[0015]基於多體系統運動學理論，採用低序體陣列描述抽象工具機系統的拓撲結構，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係，用齊次變換矩陣表示多體系統間的相互關係；
[0016]步驟1.1建立三軸工具機的拓撲結構
[0017]分析工具機的結構，定義三軸工具機的各個組成部件，以及刀具和工件為「典型體」，用「B/』表示，其中j = 1，2，3…n，j表示各典型體的序號，η表示工具機所包含典型體的個數。
[0018]典型體的編號規則如下:
[0019]1.選定床身為典型體「Β/』
[0020]2.將三軸工具機分為刀具分支和工件分支，共兩個分支。首先對刀具分支沿遠離床身的方向，按照自然增長數列，對各典型體進行編號。再對工件分支沿遠離床身的方向，按照自然增長數列，對各典型體進行編號，如圖2，其中m表示刀具分支中典型體的個數，η表示工具機總共包含的典型體的個數。
[0021]步驟1.2建立三軸工具機的特徵矩陣。
[0022]該方法所研究的三軸數控工具機幾何誤差項的幾何意義及其表達式如表1所示
[0023]表1:幾何誤差釋義表
[0024]
【權利要求】
1.一種基於全局敏感度分析的三軸數控工具機的關鍵性幾何誤差辨識方法，其特徵在於:本方法通過多體系統運動特徵分析方法建立工具機的空間誤差模型，並結合全局敏感度分析方法，分析工具機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； 具體包括如下步驟: 步驟一:為三軸工具機設置廣義坐標系，並建立工具機的空間誤差模型； 基於多體系統運動學理論，採用低序體陣列描述抽象工具機系統的拓撲結構，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係，用齊次變換矩陣表示多體系統間的相互關係； 步驟1.1建立三軸工具機的拓撲結構 分析工具機的結構，定義三軸工具機的各個組成部件，以及刀具和工件為「典型體」，用「B/』表示，其中j = I, 2，3…n, j表示各典型體的序號，η表示工具機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「Β/』
2.將三軸工具機分為刀具分支和工件分支，共兩個分支；首先對刀具分支沿遠離床身的方向，按照自然增長數列，對各典型體進行編號；再對工件分支沿遠離床身的方向，按照自然增長數列，對各典型體進行編號，用m表示刀具分支中典型體的個數，η表示工具機總共包含的典型體的個數； 步驟1.2建立三軸工具機的特徵矩陣； 該方法所研究的三軸數控工具機幾何誤差項的幾何意義及其表達式如表1所示 表1:幾何誤差釋義表
【文檔編號】G05B19/401GK104007700SQ201410234462
【公開日】2014年8月27日 申請日期:2014年5月29日 優先權日:2014年5月29日
【發明者】程強, 趙宏偉, 馮秋楠, 祁卓, 劉志峰 申請人:北京工業大學