[发明专利]一种基于稳健设计的多轴数控机床加工精度保持性优化方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种多轴数控机床几何精度设计方法，尤其涉及一种加工精度保持性优化的多轴数控机床几何精度设计方法，属于机床加工精度设计领域。

背景技术

数控机床作为先进制造技术的基础设备，其发展直接关系着航空、航天、船舶、汽车、石化、建筑等支柱产业及能源、交通等基础产业，其质量好坏和可靠性水平的高低成为了制约国家制造业发展的重要瓶颈。在数控机床性能评估与优化设计过程中，其加工精度及其保持性具有重要作用。

数控机床的加工精度主要受到机床零部件和结构的空间几何误差、热误差、载荷误差、伺服误差等因素的影响。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。对数控机床误差源的大量研究表明，50％的加工误差都是由机床的几何误差引起的，这些误差包括定位误差，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，其相互耦合作用最终影响机床的加工精度。在短期内，几何误差通常被看作静态误差，但是在长期使用过程中，由于受磨损及环境变化等因素影响，几何误差随时间缓慢变化，即几何误差具有时变性，使得机床的加工精度发生退化。因此，如何保持机床加工精度是一个亟待解决的问题。本方法的重点是针对机床加工精度退化这一现象，提出一种通用的提高机床精度保持性方法。

结构机构可靠性反应了在规定的时间内和规定的条件下，结构机构完成规定能的能力。灵敏度分析则是建立在可靠性分析基础上，反应了不同的变量参数对结构机构可靠度的影响。机床的几何误差参数变量是一种不确定性的随机性变量，必须采用非确定性的研究方法来研究几何误差的随机概率特征及其对加工精度的影响，才能更真实地反映客观实际情况。可靠性理论和稳健理论是近年来新发展起来的两种处理工程随机问题最为有效的方法。其中，可靠性设计通过优化方法，在满足产品可靠性要求的前提下，寻求性能最优设计参数。而稳健设计则是通过不断调整设计参数及其容差，提高产品性能及性能保持能力(即稳健性)。由于上述两种设计方法对于提高机械产品性能和性能保持能力具有显著效果，因此发展前景非常广阔。但在过往设计过程中，可靠性设计方法和稳健设计方法多被独立地应用于产品设计的不同阶段，发挥各自的效力。如何将可靠度分析方法和可靠性敏感度分析方法引入机床几何精度设计中，辨识和分配加工精度保持性影响较大的几何误差项，是提高数控机床加工精度保持性的关键问题。

这一关键问题的解决方法分为两个步骤：

第一、根据几何误差基本变量间的关系，建立数控机床空间误差模型；

国内外学者在机床误差建模领域已经开展了多方面的研究，提出了不少建模方法。如几何法、误差矩阵法、二次关系法、机构学法、刚体运动学法、多体系统理论、POE模型等。上述这些研究为进行机床精度分析和误差检测、补偿提供了一定的基础，但是存在适用范围小、没有通用性、精度不高以及易产生人为推导误差等问题。齐次坐标变化矩阵(HTMs)由于具备复杂机械系统较强的概括能力和易于编程、高精度等优点广泛应用于机床误差建模。

第二、基于数控机床空间误差模型，提出一种数控机床加工精度保持性优化方法。

对数控机床加工精度保持性优化应同时考虑机床的可靠性和稳健性。可靠性设计反应了在规定的时间内和规定的条件下，结构机构完成规定能的能力，它通过优化方法，在满足产品可靠性要求的前提下，寻求性能最优设计参数。而稳健设计则是通过不断调整设计参数及其容差，提高产品性能及性能保持能力(即稳健性)。但是少量研究将可靠性设计方法和稳健设计方法同时应用到机械设计中，特别是机床的加工精度保持性优化设计还极为少见。此外，数控机床作为一个复杂的串联系统，存在多个失效模式，多失效模式下可靠性分析方法和敏感度分析方法也是本方法研究重点之一。

因此，本发明基于HTMs方法，建立了数控机床几何误差模型；将结构机构可靠度和可靠性灵敏度分析方法引入机床几何精度设计中，提出一种基于稳健设计的多轴数控机床加工精度保持性优化方法。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于稳健设计的数控机床加工精度保持性优化方法。通过建立机床的空间误差模型，分析各项几何误差的耦合作用对加工精度的影响程度，提出新的机床设计和改进理念，从根本上解决机床精度及加工精度保持性问题。