[发明专利]一种基于拟蒙特卡洛模拟的加工误差模型全局灵敏度分析方法

说明书

本发明公开了一种基于拟蒙特卡洛模拟的加工误差模型全局灵敏度分析新方法，属于机床精度设计领域，具体涉及到多轴数控机床的空间误差建模方法以及基于拟蒙特卡洛模拟的加工误差模型全局灵敏度分析方法。本发明运用多体系统理论建立数控机床空间误差模型，根据蒙特卡洛模拟采样机理，对机床加工误差模型进行全局灵敏度分析，获得影响机床加工误差的关键几何误差参数，在机床设计的初期阶段，提出新的机床设计理念，为提升数控机床的加工精度以及关键几何误差参数补偿奠定了理论基础。

技术领域

本发明涉及一种基于拟蒙特卡洛模拟的加工误差模型全局灵敏度分析方法，属于机床精度设计技术领域。

背景技术

近年来，数控机床作为制造业的工业母机，其功能在不断的完善，为了满足日益复杂形状工件精密加工的要求，五轴机床得到越来越广泛地应用。五轴机床结构复杂，涉及误差因素较多，加工成型机理也比三轴机床复杂。相比于三轴机床，五轴机床具有更好的通用性和灵活性、更高的效率和精度等优点。由于五轴数控机床各项技术的不断成熟，大大提高了复杂曲面零件的可加工性和加工精度。

数控机床的精度指标主要有加工精度、定位精度和重复定位精度，其中加工精度是数控机床追求的最终精度，反映出机械制造业的制造能力和发展水平。影响机床加工精度的因素主要包括机床各个零部件的几何误差、热误差、切削力引入误差和刀具磨损等，其中几何误差对加工精度的影响最大。机床的几何误差包括直线度误差，滚摆误差，偏摆误差，定位误差，颠摆误差和垂直度误差等。数控机床各项几何误差参数的作用相互耦合，对加工精度的影响权重各不相同。如何有效的识别出对数控机床加工精度影响较大的关键几何误差项，并且在机床设计的初期阶段有效的控制它们是有效提高机床加工精度的关键问题。

这一关键问题的解决方法分为两个步骤：

第一、基于多体系统运动学理论，建立机床的空间误差模型；

目前国内外学者已经开展了许多关于机床精度建模方法的研究，先后出现了二次关系模型法、几何建模法、误差矩阵法、刚体运动学法和多体系统理论法。基于多体系统运动学理论，将五轴机床抽象为多体系统，用拓扑结构图以及低序体阵列表来描述机床的结构和各个体之间的关联关系，分析数控机床的几何误差，建立广义坐标系，用相邻体间的特征矩阵表示位置关系，用齐次变换矩阵表示多体系统间的相互关系，最终建立机床的空间误差模型；

第二、结合空间误差模型，提出基于拟蒙特卡洛模拟的加工误差模型全局灵敏度分析方法；

由于拟蒙特卡洛方法的计算准确度高，收敛速度快，所以选用拟蒙特卡洛方法进行计算。将机床误差模型作为黑盒处理，所有几何误差参数在定义域内的随机采样值作为输入变量，机床加工误差为输出值，根据各输入变量的方差对输出值方差的影响，评估各项几何误差参数对机床加工误差模型的影响程度。灵敏度系数越大，说明该属性对模型输出的影响越大，根据灵敏度系数的大小对各项几何误差参数进行排序，最后筛选出灵敏度系数较大的几何误差项。本发明采用基于拟蒙特卡洛模拟的加工误差模型全局灵敏度分析方法来分析五轴数控机床关键几何误差参数。

本发明基于多体系统运动学理论，建立了机床的空间误差模型，然后结合空间误差模型提出了一种基于拟蒙特卡洛模拟的加工误差模型全局灵敏度分析方法，最后有效的辨识出了五轴数控机床的关键几何误差参数。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于拟蒙特卡洛模拟的加工误差模型全局灵敏度分析方法。通过建立机床的空间误差模型和误差敏感度分析模型，辨识出关键几何误差参数，为提高加工精度奠定基础。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案为一种基于拟蒙特卡洛模拟的加工误差模型全局灵敏度分析方法，本发明基于多体系统运动学理论，建立了机床的空间误差模型，然后结合空间误差模型提出了一种基于拟蒙特卡洛模拟的加工误差模型全局灵敏度分析方法，最后有效的辨识出了数控机床的关键几何误差。

本方法具体包括如下步骤：