[发明专利]一种基于价值分析法的机床几何精度优化方法

摘要

本发明公开了一种基于价值分析法的机床几何精度优化方法，该方法基于价值分析法采用机床加工精度的全局敏感度分析和几何误差相关性分析相结合的方法，对四轴加工中心的各误差项进行分析。首先利用齐次变换矩阵法对四轴机床进行几何误差建模；然后对数控机床的加工精度进行全局敏感度分析以及相关性分析，确定各误差项对于机床加工精度的影响程度并确定价值分析法中的功能系数及成本系数；第三，建立机床几何误差的精度分配优化模型；最后，根据价值分析法对机床加工精度进行优化设计。

主权项

1.一种基于价值分析法的机床几何精度优化方法，其特征在于：该方法具体包括如下步骤：步骤1：建立精密加工中心的几何误差模型；步骤1.1建立所述精密卧式加工中心的特征矩阵；对卧式坐标镗加工中心几何误差进行建模及分析，卧式加工中心作为四轴数控机床，有包含定位误差、直线度误差、角度误差在内的三十项几何误差；基于齐次变换矩阵理论，分析各部件几何误差对机床精度的影响，得到各运动部件之间的齐次变换矩阵；步骤1.2建立精密加工中心的几何误差模型假设刀具成形点在刀具坐标系t-xyz内的坐标Pt是：Pt＝(ptx pty ptz 1)T (1)工件成形点在工件坐标系w-xyz内的坐标是：Pw＝(pwx pwy pwz 1)T (2)在理想运动情况下，机床不产生误差，刀具成形点和工件成形点重合，即 K 01 P K 01 S K 12 P K 12 S K 23 P K 23 S P t = K 04 P K 04 S K 45 P K 45 S K 56 P K 56 S P w i d e a l - - - ( 3 ) ]]>其中，公式(3)右上角的P和S分别表示静态和动态，即和分别表示相邻部件的理想静态齐次变换矩阵和理想运动齐次变换矩阵；得理想刀具成形点在工件坐标系中的坐标Pwideal为： P w i d e a l = ( K 04 P K 04 S K 45 P K 45 S K 56 P K 56 S ) - 1 K 01 P K 01 S K 12 P K 12 S K 23 P K 23 S P t - - - ( 4 ) ]]>然而在实际加工过程中，实际刀具成形点的位置要偏离理想刀具成形点的位置；因此，实际刀具成形点在工件坐标系中的坐标是：Pwactrual＝(EK06)-1EK03Pt (5)其中，EK06和EK03分别表示工件分支和刀具分支的误差齐次变换矩阵；误差齐次变换矩阵表达式分别如下： K E 06 = K 04 P K 04 P e K 04 S K 04 S e K 45 P K 45 P e K 45 S K 45 S e K 56 P K 56 P e K 56 S K 56 S e ]]> K E 03 = K 01 P K 01 P e K 01 S K 01 S e K 12 P K 12 P e K 12 S K 12 S e K 23 P K 23 P e K 23 S K 23 S e - - - ( 6 ) ]]>在公式(6)中，和分别表示相邻部件的静态误差齐次变换矩阵和运动误差齐次变换矩阵；于是可得卧式加工中心的误差模型表达式：E＝EK06Pwideal-EK03Pt (7)E表示此四轴机床的几何误差，其中包含三个部分Ex、Ey、Ez，即E＝[Ex Ey Ez 1]T (8)步骤2：建立卧式加工中心几何误差的价值分析法模型步骤2.1价值分析法基本模型价值分析就是综合考虑功能、成本与价值三个因素之间的关系，从降低成本和改善功能两方面进行合理化工作；三者的关系式如下： V = F C - - - ( 9 ) ]]>其中V为价值；F为功能；C为成本；根据不同的评价方法，上式各项可以有不同的定义和取值方法；将F定义为功能系数，将C定义为成本系数；对数控机床的加工精度进行全局敏感度分析以及相关性分析，确定各误差项对于机床加工精度的影响程度并确定价值分析法中的功能系数及成本系数按照价值分析法的观点：当Vi＝1时，功能和成本能够达到协调、相称，这时的整体价值最高，也是最有利的情况，即可推得：为了更加明确各项几何误差对总体精度的影响，根据SPSS软件的聚类分析结果，利用价值分析法公式对各分类项进行求和计算，确定整体价值最高的状态，即：n为每一类几何误差的总个数；则推得：这就是价值分析法几何误差分配的优化模型；Ai通过敏感度分析求得，E0为精度综合中给定的设计参数，则通过优化计算求得各项几何误差优化值Δi；步骤2.2建立机床加工精度的全局敏感度分析模型为了更加精确地分析各误差因素及其相互作用对加工精度的影响程度，找出关键性几何误差，需对各误差因素进行全局敏感度分析，从而确定价值分析法中的功能系数；将机床几何误差模型进一步写成如下形式：E＝[Ex Ey Ez 1]T＝Pwideal-Pwactual＝E(H,Pt,I) (12)式中，Ex,Ey,Ez表示机床各向几何误差；H＝[h1,h2,......,hn]T，h1,h2,......,hn表示n个机床各零部件几何误差；Pt和I分别表示刀具成形点在刀具坐标系中的坐标以及机床X轴，Y轴，Z轴运动部件的位置向量；由于分析的是机床运动几何误差对加工精度的影响，Pt和I都认为是无误差且预先设定的，则数控机床的空间误差模型可转化为各项几何误差的函数：E＝E(H)＝[Ex(H),Ey(H),Ez(H),1]T (13)对于四轴机床而言只需研究二十四项运动几何误差对加工精度的敏感度，与运动量相关的几何误差项均具有不确定性，且服从正态分布，包括Δxx，Δyx，Δzx，Δαx，Δβx，Δγx，Δxy，Δyy，Δzy，Δαy，Δβy，Δγy，Δxz，Δyz，Δzz，Δαz，Δβz，Δγz，ΔxB，ΔyB，ΔzB，ΔαB，ΔβB，ΔγB共24项；则定义一个24维的单元体U24作为输入因素的空间域；采用Sobol’法进行全局灵敏度分析，X方向的空间加工误差Ex表示为： E x = E x ( H ) = E x ( h 1 , h 2 , ... , h n ) = E x 0 + Σ i = 1 n E x i ( h i ) + Σ 1 ≤ i ≤ j ≤ n E x i , j ( h i , h j ) + ... + E x 1 , 2 , ...... n ( h 1 , h 2 , ... , h n ) - - - ( 14 ) ]]>总方差D表示为 D = ∫ U n E x 2 ( H ) d H - E x 0 2 - - - ( 15 ) ]]>偏方差为 D i 1 , i 2 , ... i s = ∫ 0 1 ... ∫ 0 1 E xi 1 , i 2 , ... , i s 2 ( h i 1 , h i 2 , ... , h i s ) dh i 1 dh i 2 ... dh i s - - - ( 16 ) ]]>式中1≤i1＜...＜is≤k且s＝1,2,...,k；将总方差分解为 D = Σ i = 1 n D i + Σ 1 ≤ i < j ≤ n D i j + ... + D 1 , 2 , ... n - - - ( 17 ) ]]>全局敏感度表示为 S i 1 , i 2 , ... i s = D i 1 , i 2 , ... i s D 1 ≤ i 1 < ... < i s ≤ n - - - ( 18 ) ]]>式中，Si为hi的一阶全局敏感度；Sij(i≠j)为几何误差hi和hj的二阶敏感度；S1,2,...n为几何误差h1,h2,...,hn的n阶敏感度；第i项几何误差的全局敏感度可用来表示第i项几何误差对机床的误差的总影响；表示为： T S ( i ) = 1 - S i = 1 - D ~ i D - - - ( 19 ) ]]>式中，由蒙特卡洛数值估计法计算得出： E ^ x 0 ≈ 1 k Σ m = 1 k E x ( H m ) - - - ( 20 ) ]]> D ^ = 1 k Σ m = 1 k E x 2 ( H m ) - E ^ x 0 2 - - - ( 21 ) ]]> D ^ i = 1 k Σ m = 1 k E x ( H ( - i ) m ( 1 ) , h i m ( 1 ) ) E x ( H ( - i ) m ( 2 ) , h i m ( 2 ) ) - E ^ x 0 2 - - - ( 22 ) ]]> D ^ - i = 1 k Σ m = 1 k E x ( H ( - i ) m ( 1 ) , h i m ( 1 ) ) E x ( H ( - i ) m ( 2 ) , h i m ( 2 ) ) - E ^ x 0 2 - - - ( 23 ) ]]>在式(20)(21)(22)(23)中，k为蒙特卡洛法的采样个数；上标(1)(2)为由蒙塔卡洛采样得到的两个不同的k×n维的样本组；Hm表示从域Un采样得到的样本组中的第m项样本，即H(-i)m表示从域Un采样得到的样本组中的第m项样本中取出第i项元素后的其他元素，即表示在第1个样本组中的第m个样本中的第i项误差因素；几何误差hi的一阶敏感度和全局敏感度分别表示为： S i ≈ D ^ i D ^ - - - ( 24 ) ]]> T S ( i ) ≈ 1 - D ^ ~ i D ^ - - - ( 25 ) ]]>机床零部件的各项几何误差相互独立且可看作正态分布，它们综合作用的结果仍符合正态分布；在机床加工空间四条对角线上各选取8个点测量其各项几何误差，共29个测试点，每个点测10次；选取点(300,100,200)，分析该点处各项几何误差对机床加工精度的影响程度；采用拉丁超立方采样法在空间域U24中对各几何误差进行抽样，样本大小为5000；由几何误差对机床加工精度的全局敏感度分析模型可得到X方向加工精度敏感度分析公式；第j个测试点处，第i项几何误差对X向空间误差的一阶敏感度及全局敏感度分析公式分别为： S i j x ≈ D ^ i D ^ = 1 k Σ m = 1 k E x ( H ( - i ) m ( 1 ) , h i m ( 1 ) ) E x ( H ( - i ) m ( 2 ) , h i m ( 2 ) ) - [ 1 k Σ m = 1 k E x ( H m ) ] 2 1 k Σ m = 1 k E x 2 ( H m ) - [ 1 k Σ m = 1 k E x ( H m ) ] 2 - - - ( 26 ) ]]> T S j x ( i ) ≈ 1 - D ^ i D ^ = 1 k Σ m = 1 k E x ( H ( - i ) m ( 1 ) , h i m ( 1 ) ) E x ( H ( - i ) m ( 2 ) , h i m ( 2 ) ) - [ 1 k Σ m = 1 k E x ( H m ) ] 2 1 k Σ m = 1 k E x 2 ( H m ) - [ 1 k Σ m = 1 k E x ( H m ) ] 2 - - - ( 27 ) ]]>式中k表示每个采样集合中采样数组的个数，k＝5000；对其它各点采用同样的方法，计算出各项几何误差在其它测试点处的一阶敏感度系数和全局敏感度系数；就整个工作空间而言，将第i项几何误差对X方向的空间误差的一阶敏感度及全局敏感度系数表示为： S x i = 1 H Σ j = 1 H S i j x - - - ( 28 ) ]]> T S x ( i ) = 1 H Σ j = 1 H T S j x ( i ) - - - ( 29 ) ]]>Y、Z方向采用同样的方法；经过计算得到各项几何误差对整个加工空间的一阶敏感度系数及全局敏感度系数，步骤2.3对机床几何误差进行相关性分析及分类运用SPSS中的系统聚类与相关性分析相结合对加工中心的各几何误差进行分析，首先将相关性较强的误差项分为一类，然后求各误差相关系数，并根据价值分析法公式对各类几何误差分别进行计算；步骤3：机床几何误差精度分配优化步骤3.1建立精度分配优化模型根据零部件精度参数与几何误差之间的关系，结合几何误差相关性聚类分析的分类结果，将零部件精度参数作为设计变量，构造下列目标函数，即基于机床几何误差相关性分析的优配模型： S max = max ( t 9 2 + t 4 2 + t 5 2 + t 6 2 + t 10 2 + t 11 2 + t 12 2 + t 16 2 + t 17 2 + t 18 2 + t 22 2 + t 23 2 + t 24 2 + t 1 2 + t 2 2 + t 3 2 + t 7 2 + t 8 2 + t 13 2 + t 14 2 + t 15 2 + t 19 2 + t 20 2 + t 21 2 ) - - - ( 30 ) ]]>约束条件如下：Δxmax≤mpe(Δx)Δymax≤mpe(Δy)Δzmax≤mpe(Δz)且有：lb(Δsi(u))≤Δsi(u)≤ub(Δsi(u))，i＝1,2,3；u＝x,y,z,Blb(S(u))≤S(u)≤ub(S(u))，u＝x,y,z,B式中，mpe(Δx)，mpe(Δy)，mpe(Δz)分别表示X，Y，Z向最大允许误差；基于价值分析法的几何误差精度分配的优化模型如下： Σ A i Δ i E 0 = nΣC i - - - ( 31 ) ]]>Ai可通过敏感度分析求得，E0为精度综合中给定的设计参数，则可通过优化计算求得各项几何误差优化值Δi；约束条件为：Δxmax≤mpe(Δx)Δymax≤mpe(Δy)Δzmax≤mpe(Δz)所以，卧式加工中心的精度分配问题可描述为一个二目标优化问题；总优化模型为： S max = max ( t 9 2 + t 4 2 + t 5 2 + t 6 2 + t 10 2 + t 11 2 + t 12 2 + t 16 2 + t 17 2 + t 18 2 + t 22 2 + t 23 2 + t 24 2 + t 1 2 + t 2 2 + t 3 2 + t 7 2 + t 8 2 + t 13 2 + t 14 2 + t 15 2 + t 19 2 + t 20 2 + t 21 2 ) Σ A i Δ i E 0 = n Σ C i - - - ( 32 ) ]]>约束条件如下：Δxmax≤mpe(Δx)Δymax≤mpe(Δy)Δzmax≤mpe(Δz)lb(Δsi(u))≤Δsi(u)≤ub(Δsi(u))(i＝1,2,3；u＝x,y,z,B)lb(S(u))≤S(u)≤ub(S(u))(u＝x,y,z,B)式中,Smax表示所有几何误差项的欧式范数和函数；根据用户加工精度要求，该四轴加工中心X、Y、Z向最大允许误差为：mpe(Δx)＝-0.015,mpe(Δy)＝0.015,mpe(Δz)＝0.015步骤3.2基于NCGA算法的精度分配优化通过Isight软件中的matlab组件与matlab结合，采用NCGA算法对几何误差项进行集成优化；以上述二目标优化问题为目标函数，24项几何误差为变量，设定好约束条件及机床精度要求后，采用NCGA算法进行优化。