[发明专利]静压转台载荷误差辨识及其对机床加工误差影响分析方法

摘要

一种静压转台载荷误差辨识及其对机床加工误差的影响分析方法属于数控机床精度设计领域。以考虑机床载荷误差的影响为出发点，给出借助N‑S方程和薄膜假设理论导出的静压转台台面载荷误差辨识；基于误差测量数据，利用旋量理论的指数矩阵形式，在机床的拓扑结构的基础上，建立起机床整体的空间误差模型。该方法具有可靠、计算高效并且载荷参数考虑全面等优点；旋量方法通过指数矩阵建立机床精度模型，可定量的结合流体力学方程精确计算每一项载荷误差的影响效果。也就是说该方法不仅可以同时检验多项载荷参数的变化对误差模型结果的共同影响，还可以分析一项载荷参数变化对模型结果的单独影响，通过实例计算的结果表明，本发明是有效的。

主权项

1.一种静压转台载荷误差辨识及其对机床加工误差的影响分析方法，其特征在于：包括下述步骤：步骤(1)静压转台台面载荷误差辨识根据薄膜润滑理论，由Matlab计算得出静压转台油膜厚度h、初始油膜厚度h0、静压转台沿X轴出现倾斜角θx、沿Y轴出现倾斜角θy；由几何关系，得出转台台面沿Z向位移ΔzF:ΔzF＝h‑h0                        (3)转台对X轴的倾角ΔαF:ΔαF＝θx                         (4)转台对Y轴的倾角ΔβF:ΔβF＝θy                          (5)又由于力学平衡方程基于质心建立，设转台台面高度为hz，得：转台沿X向位移ΔxF：转台沿Y向位移ΔyF：由于静压转台自身绕Z轴转动，转台对Z轴的转角ΔγF：ΔγF＝0                          (8)由于静压转台的载荷误差应与转速w、载荷加载半径R_load、载荷加载力大小F_load、以及载荷加载点与X轴的夹角角度皆有相关性；代入不同的转速w、载荷加载半径R_load、以及载荷加载力大小F_load进行求解，分别得出不同载荷参数下的Δx_F、Δy_F、Δz_F转台台面载荷误差的分布情况；步骤(2)基于多体理论建立静压转台载荷误差模型根据多体理论，对应静压转台的结构、各部件之间的运动关系，建立各相邻近体间的变换特征矩阵；令运动部件的一些静止误差和非运动部件的运动误差特征矩阵为单位阵I4×4；描述转台部件各特征矩阵T，以p代表静止，s代表运动，Δα、Δβ、Δγ分别为部件对X向、Y向、Z向的转角误差，Δx、Δy、Δz为沿X、Y、Z方向的线性误差，各特征矩阵包括：体间理想静止矩阵T01p、体间静止误差矩阵ΔT01p、体间理想运动矩阵T01s、体间运动误差矩阵ΔT01s、体间载荷误差矩阵ΔT01F；在机械加工中，机床加工精度是由机床上刀具成形点与工件成形点之间的相对位移误差决定的；因而在建立静压转台偏载误差辨识模型的过程中，需要表现出理想状态下工件成形点和偏心载荷状态下的工件成形点之间的关系；即所求加工精度模型表示为ESpt，见下式；式中，pwx、pwy、pwz表示工件由X、Y、Z三个轴向坐标确定的初始位置；矩阵ESpt的数值解的前三项：ESpt1,ESpt2,ESpt3分别代表了工件由X、Y、Z三个轴向坐标确定的加载后位置，因此进一步分别计算出X向、Y向、Z向上的静压转台整体受载的载荷误差ΔxSpt、ΔySpt、ΔzSpt；代入不同的转速w、载荷加载半径Rload、以及载荷加载力大小Fload进行求解，分别得出不同载荷参数下的静压转台误差的分布情况；步骤(3)依据旋量理论建立考虑载荷误差的机床空间误差模型对于具有单自由度运动副的一般机构，其各自间运动关系均能看成是旋量，其单位旋量用Plücker坐标表示为如下形式：$＝[ω v]TR＝(ωx ωy ωz vx vy vz)TR              (22)式中：ω为旋量轴单位矢量，v为旋量轴矩阵，TR为矩阵的转置符号；根据旋量理论，将刚体的瞬时速度用其线性分量和角速度分量来描述并用指数矩阵形式表述；随后根据机床的拓扑结构建立起考虑载荷误差的机床空间误差模型；并计算求解；以δ表示线性误差，ε表示角度误差，S表示垂直度误差，P表示平行度误差，δF表示由载荷引起的线性误差，εF表示由载荷引起的角度误差；基于机床的这些误差项来建立起旋量的指数矩阵，并以此来建立机床的误差模型；理想状态下，机床是不存在误差的；用Ti表示理想状态下的机床变换矩阵模型，用Ta表示整体机床包含载荷误差考虑项的机床变换误差矩阵模型；得基于旋量的指数矩阵所表示的重型龙门静压转台机床空间误差模型为：E＝Ti‑1·Ta                     (25)其中，Ti‑1表示Ti的逆，E表示指数矩阵的空间误差模型，对应空间误差在X、Y、Z三个轴向上的分量Ex、Ey、Ez由下式得出：[Ex,Ey,Ez,1]TR＝E·[0,0,0,1]TR               (26)基于此模型，首先代入不同的转速w、载荷加载半径Rload、以及载荷加载力大小Fload进行求解，分别得出不同载荷参数下的ΔxF、ΔyF、ΔzF转台台面载荷误差的分布情况，随后将包含ΔxF、ΔyF、ΔzF载荷误差项在内的各项误差项代入，计算出数控龙门移动车铣机床整体受载的空间加工误差。