[发明专利]一种数控机床加工精度可靠性敏感度分析方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种数控机床加工精度可靠性敏感度分析方法，属于机床精度设计领域。

技术背景

作为机械设备生产的机械制造业，为整个国民经济提供技术装备，其发展水平是国家工业化程度的主要标志之一，随着现代科学技术的飞速发展，精密超精密加工技术已经成为现代机械制造业发展的主要趋势。数控机床是一种高精度、高效率、高技术的现代机电设备，作为先进制造技术的基础与核心设备，越来越广泛的应用于机械生产之中，并制约着制造领域和各高新科技的发展。随着现代科学技术的飞速发展，精密和超精密加工技术已经成为现代机械制造业发展的主要趋势，所以数控机床的加工精度可靠性问题受到全世界的广泛关注。

数控机床的加工精度可靠性指标主要是指：机床在给定时间内，满足特定加工精度要求的能力，体现着机械制造业的制造能力和发展水平，也是整个国家科技和工业水平的重要标志之一。机床的几何误差是指由于机床设计、制造、装配等中的缺陷，使得机床中各组成环节或部件的实际几何参数和位置相对于理想几何参数和位置发生偏离。该误差一般与机床各个组成环节或部件的几何要素有关，是机床本身固有的误差。

机床的几何误差直接影响刀具加工点的位置误差，50％的加工误差都是由机床的几何误差引起的。机床具有多种几何误差，包括定位误差，直线度误差，滚摆误差，颠摆误差，偏摆误差，以及运动轴之间的垂直度和平行度误差等。这些误差的波动作用影响机床的加工精度及加工精度可靠性。如何辨识出对加工精度可靠性影响较大的几何误差项，并且有效的控制它们是提高机床加工精度可靠性的关键问题。

为了解决这一关键性的问题，需要三个重要步骤：

第一、根据几何误差之间的关系，建立机床的空间误差模型；

国内外专家学者一直在建立数控机床空间误差模型领域进行不懈的探索和研究，开展了多方面的工作。例如三角关系建模法、误差矩阵法、二次关系模型法、机构学建模法、刚体运动学法等。多体系统运动特征分析方法采用齐次列阵表示点的位置和矢量的姿态，在多体系统中建立广义坐标系，将三轴机床抽象为多体系统，将在理想条件下和实际条件下的静态和动态过程中的体间的相对位置和姿态变化以及误差情况作了统一的、完整的描述，使多体系统误差的分析变得简单、迅速、明了和普遍适用，从而为实现计算机快速建模提供基础。

第二、采用蒙特卡洛数字模拟的方法，对机床的加工精度可靠性进行分析；

第三、采用蒙特卡洛数字模拟的方法，对机床的加工精度可靠性进行敏感度分析。

蒙特卡罗数字模拟方法，又称随机抽样或统计试验方法，它是在本世纪四十年代中期为了适应当时原子能事业的发展而发展起来的。传统的经验方法由于不能逼近真实的几何误差随机波动过程，很难得到满意的结果，而蒙特卡罗方法由于能够真实地模拟实际几何误差随机波动过程，故解决机床加工精度可靠性及加工精度可靠性敏感度问题与实际非常符合，可以得到很圆满的结果。

本发明在多体系统运动特征分析方法的基础上，建立了机床的空间误差分析模型，随后对机床进行了加工精度可靠性分析，以及各项几何误差对机床的加工精度可靠性的敏感度分析，得出了各项几何误差的敏感度系数。

发明内容

本发明的目的是提供一种三轴数控机床的加工精度可靠性以及几何误差对加工精度可靠性的敏感度的分析方法。通过建立机床的空间误差模型，分析机床的加工精度可靠性，进一步分析各项几何误差对加工精度可靠性的影响程度，提出新的机床设计和改进理念，从根本上解决机床加工精度可靠性问题。

本发明的特征在于通过多体系统运动特征分析方法建立机床的空间误差模型，并结合蒙特卡洛数字模拟方法，分析机床的加工精度可靠性，以及机床各项几何误差的波动作用对加工精度可靠性的影响程度，从而辨识出影响加工精度可靠性的关键性几何误差。可为机床的设计，装配和加工提出指导性建议，从根本上提高机床的加工精度可靠性。

如图1所示，本方法具体包括如下步骤：

步骤1 为三轴机床设置广义坐标系，并建立机床的空间误差模型。

基于多体系统运动学理论，采用低序体阵列描述抽象机床系统的拓扑结构，在多体系统中建立广义坐标系，用矢量及其列向量表达位置关系，用齐次坐标变换矩阵表示多体系统间的相互关系；

步骤1.1 建立三轴机床的拓扑结构

分析机床的结构，定义三轴机床的各个组成部件，以及刀具和工件为“典型体”，用“B_j”表示，其中j＝1，2，3，4…n，j表示各典型体的序号,n表示机床所包含典型体的个数。

典型体的编号规则如下：