[发明专利]一种数控机床几何误差全局灵敏度分析方法

说明书

本发明公开了一种数控机床几何误差全局灵敏度分析方法，属于机床精度设计领域。具体涉及到数控机床空间误差建模方法、几何误差与运动位移拟合和几何误差相互耦合作用分析。通过多体系统建立机床几何误差模型，并进行加工精度对几何误差求偏导；建立几何误差‑运动行程拟合函数，并进行几何误差对运动行程求导；同时分析几何误差间复杂的相互作用。综合考虑前三种因素，通过本方法达到辨识机床关键性几何误差的目的，其几何误差灵敏度分析结果可为机床的设计，装配和加工提供参照。

技术领域

本发明涉及一种数控机床几何误差全局灵敏度分析方法，属于机床精度设计领域。

背景技术

作为国家工业化程度的主要标志之一的机械制造业，其发展水平越发受到格外重视。而作为现代工业发展的重要载体的数控机床，其工作性能的高低起着决定性作用。机床的性能主要体现在其加工产品的质量是否满足用户的精度要求。机床的精度主要表现为：加工精度、定位精度和重复定位精度，其中机床的加工精度是评价机床工作性能的主要参数和最终目标。而受多种因素影响，如机床的主轴长时间使用过程中发热导致主轴轴向伸长或可能发生主轴前端“热抬头”现象，会直接影响机床的精度。此外，施加的切削力，导轨受压变形，零部件本身存在的制造误差和复杂的人为因素等，都会对使机床的加工精度降低。在众多因素中，机床的几何误差和热误差约占总误差的50-70％，而单独的加工误差会占到40％左右，因此研究并降低机床几何误差，可有效提高机床的加工精度。

机床几何误差根据表现形式不同而具有多种类型，主要包括定位误差，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。这些误差彼此间的相互作用共同影响机床的加工精度。如何辨识出对加工精度影响较大的关键几何误差项，并且有效的控制它们是提高机床加工精度的关键问题。

为解决这一问题，需要考虑三个方面：

第一：建立机床几何误差模型。通过简化机床结构，分析机床各运动轴的相对运动，建立机床的拓扑结构，根据多体系统理论，运用齐次变化矩阵构建机床的几何误差模型，以表示加工精度与几何误差的非线性关系；

第二：建立几何误差—位移之间的函数关系。由于丝杠、导轨的日益磨损及制造、装配时的偏差，使其在支撑和引导运动部件实现直线运动时产生几何误差，而且随着运动行程的变化，产生的几何误差值也随之波动。因此研究几何误差随运动部件行程的变化规律十分必要。根据几何误差测量过程中其大小随位移变化的特点，从测量数据出发，拟合机床几何误差与位移之间的非线性函数关系，以此研究几何误差随位移的波动性；

第三：分析几何误差间的相互耦合作用。几何误差是造成数控机床加工精度降低的重要原因，几何误差相关性客观存在。往往改进一个误差值会导致另外一个或几个与之关联度很高的误差值发生改变。因此在实际加工过程中，几何误差并不是单独作用于机床的加工精度，而是通过彼此间的相互作用共同影响机床的加工精度。研究几何误差间的复杂的相关性是进行机床优化设计和生产制造的基础。在以往变量的相关性分析中用到最多的是简单相关系数，但其只能衡量两个变量间的线性相关程度。而对于机床这一高度非线性系统，几何误差间的相互作用是复杂的、非线性的。

本发明主要通过机床几何误差模型、误差随位移波动及误差的耦合性三个方面综合考虑，构建机床几何误差全局灵敏度分析模型，通过误差项的灵敏度系数辨识出影响加工精度的关键性几何误差，为机床的制造、装配提供参照。

发明内容

本发明提出一种新的数控机床几何误差全局灵敏度分析方法，具体涉及到数控机床空间误差建模方法、几何误差与运动位移拟合和几何误差相互耦合作用分析。

为实现上述目的，主要进行以下工作：

1)通过分析四轴数控机床中的主要运动部件X、Y、Z三运动轴之间的相对运动，根据多体系统理论，建立机床运动误差齐次变换矩阵，进而建立机床几何误差模型，来表示加工精度与几何误差之间非线性函数关系，并进行加工精度对几何误差求偏导，得到几何误差对加工精度的局部影响；