一种基于全局敏感度分析的三轴数控机床的关键性几何误差辨识方法
【专利摘要】一种基于全局敏感度分析的三轴数控机床的关键性几何误差辨识方法，属于机床精度设计领域，具体涉及到三轴机床的空间误差的建模方法和几何误差的全局敏感度分析方法。在多体理论建立的机床空间误差模型与几何误差测量的基础上，对机床的各项几何误差进行全局敏感度分析，得出各项几何误差的耦合作用对加工精度的影响程度。提出新的机床设计理念，从根本上解决机床精度问题。也可为实际装配和加工提出指导性建议，从而减小误差的输出，提高数控机床加工精度，从根本上解决机床精度问题。
【专利说明】一种基于全局敏感度分析的三轴数控机床的关键性几何误差辨识方法【技术领域】
[0001]本发明涉及一种三轴机床的关键性几何误差辨识方法，属于机床精度设计领域。【背景技术】
[0002]作为机械设备生产的机械制造业，为整个国民经济提供技术装备，其发展水平是国家工业化程度的主要标志之一，随着现代科学技术的飞速发展，精密超精密加工技术已经成为现代机械制造业发展的主要趋势。数控机床是一种高精度、高效率、高技术的现代机电设备，作为先进制造技术的基础与核心设备，越来越广泛的应用于机械生产之中，并制约着制造领域和各高新科技的发展。而衡量数控机床设计与使用性能的重要指标是数控机床的精度。
[0003]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，体现着机械制造业的制造能力和发展水平，也是整个国家科技和工业水平的重要标志之一。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。
[0004]机床的几何误差直接影响刀具加工点的位置误差，50%的加工误差都是由机床的几何误差引起的。机床具有多种几何误差，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。这些误差的相互耦合作用影响机床的加工精度。如何辨识出对加工精度影响较大的几何误差项，并且有效的控制它们是提高机床加工精度的关键问题。 [0005]为了解决这一关键性的问题，需要两个重要步骤:
[0006]第一、根据几何误差之间的关系，建立机床的空间误差模型；
[0007]国内外专家学者一直在建立数控机床空间误差模型领域进行不懈的探索和研究，开展了多方面的工作。例如三角关系建模法、误差矩阵法、二次关系模型法、机构学建模法、刚体运动学法等。多体系统运动特征分析方法采用齐次列阵表示点的位置和矢量的姿态，在多体系统中建立广义坐标系，将三轴机床抽象为多体系统，将在理想条件下和实际条件下的静态和动态过程中的体间的相对位置和姿态变化以及误差情况作了统一的、完整的描述，使多体系统误差的分析变得简单、迅速、明了和普遍适用，从而为实现计算机快速建模提供基础。
[0008]第二、结合空间误差模型，辨识影响机床加工精度的关键性几何误差。
[0009]敏感度分析是一种分析和量化输入参数和输出参数之间关系的有效方法，并且已经被应用于分析系统输入参数的随机波动对系统响应的影响。敏感度分析方法可以分为局部敏感度分析方法和全局敏感度分析方法。局部敏感度分析针对单一因素变化，有较强的可操作性，但忽视了多个因素相互作用时各因素之间的相互作用以及对整个系统的影响。全局敏感度分析基于参数的梯度和概率分布，允许因素同时变化且变化范围可以不同，可以考虑参数在整个空间内变化对系统输出的响应，且可以在分析单一参数对系统输出影响的同时分析不同参数之间的相互作用对系统输出的影响。因此，本发明采用全局敏感度分析方法来分析三轴机床的几何误差的敏感度。
[0010]本发明在多体系统运动特征分析方法的基础上，建立了机床的空间误差分析模型，随后对机床进行了全局敏感度分析，得出了各项几何误差的敏感度系数。
【发明内容】
[0011]本发明的目的是提供一种基于全局敏感度分析的三轴数控机床的关键性几何误差辨识方法。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问题。
[0012]为实现上述目的，本发明采用的技术方案为一种基于全局敏感度分析的三轴数控机床的关键性几何误差辨识方法，本发明通过多体系统运动特征分析方法建立机床的空间误差模型，并结合全局敏感度分析方法，分析机床各项几何误差的耦合作用对加工精度的影响程度，从而辨识出影响加工精度的关键性几何误差。
[0013]如图1所示，本方法的具体包括如下步骤:
[0014]步骤一为三轴机床设置广义坐标系，并建立机床的空间误差模型。
[0015]基于多体系统运动学理论，采用低序体阵列描述抽象机床系统的拓扑结构，在多体系统中建立广义 坐标系，用矢量及其列向量表达位置关系，用齐次变换矩阵表示多体系统间的相互关系；
[0016]步骤1.1建立三轴机床的拓扑结构
[0017]分析机床的结构，定义三轴机床的各个组成部件，以及刀具和工件为“典型体”，用“B/’表示，其中j = 1，2，3…n，j表示各典型体的序号，η表示机床所包含典型体的个数。
[0018]典型体的编号规则如下:
[0019]1.选定床身为典型体“Β/’
[0020]2.将三轴机床分为刀具分支和工件分支，共两个分支。首先对刀具分支沿远离床身的方向，按照自然增长数列，对各典型体进行编号。再对工件分支沿远离床身的方向，按照自然增长数列，对各典型体进行编号，如图2，其中m表示刀具分支中典型体的个数，η表示机床总共包含的典型体的个数。
[0021]步骤1.2建立三轴机床的特征矩阵。
[0022]该方法所研究的三轴数控机床几何误差项的几何意义及其表达式如表1所示
[0023]表1:几何误差释义表
[0024]
【权利要求】
1.一种基于全局敏感度分析的三轴数控机床的关键性几何误差辨识方法，其特征在于:本方法通过多体系统运动特征分析方法建立机床的空间误差模型，并结合全局敏感度分析方法，分析机床各项几何误差的耦合作用对加工精度的影响程度，从而辨识出影响加工精度的关键性几何误差； 具体包括如下步骤: 步骤一:为三轴机床设置广义坐标系，并建立机床的空间误差模型； 基于多体系统运动学理论，采用低序体阵列描述抽象机床系统的拓扑结构，在多体系统中建立广义坐标系，用矢量及其列向量表达位置关系，用齐次变换矩阵表示多体系统间的相互关系； 步骤1.1建立三轴机床的拓扑结构 分析机床的结构，定义三轴机床的各个组成部件，以及刀具和工件为“典型体”，用“B/’表示，其中j = I, 2，3…n, j表示各典型体的序号，η表示机床所包含典型体的个数； 典型体的编号规则如下: 1.选定床身为典型体“Β/’
2.将三轴机床分为刀具分支和工件分支，共两个分支；首先对刀具分支沿远离床身的方向，按照自然增长数列，对各典型体进行编号；再对工件分支沿远离床身的方向，按照自然增长数列，对各典型体进行编号，用m表示刀具分支中典型体的个数，η表示机床总共包含的典型体的个数； 步骤1.2建立三轴机床的特征矩阵； 该方法所研究的三轴数控机床几何误差项的几何意义及其表达式如表1所示 表1:几何误差释义表
【文档编号】G05B19/401GK104007700SQ201410234462
【公开日】2014年8月27日 申请日期:2014年5月29日 优先权日:2014年5月29日
【发明者】程强, 赵宏伟, 冯秋楠, 祁卓, 刘志峰 申请人:北京工业大学