基于特征的机床精度优化设计方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于机床加工技术领域，设及机床设计技术，尤其是一种能够指导机床设 计者进行精度设计的方法，具体为一种基于特征的机床精度优化设计方法。
【背景技术】
[0002] 机床精度参数是机床性能参数中重要的组成部分，很大程度上决定着所加工的产 品的质量水平。随着机械制造企业对机床性能需求的不断提高，高速、高精机床的研究和开 发将成为未来发展的方向，而机床的精度设计与优化等许多关键技术问题已经成为制约我 国机床整体性能提升和机床产品开发的瓶颈。
[0003]目前在实际机床设计制造过程中，机床精度设计主要依据经验和标准值，缺乏有 效的指导依据，不能全面了解机床用户对机床的性能需求。而机床制造企业希望能够W最 低的成本达到用户的加工精度要求，避免盲目的提高装配精度来满足用户需求，造成精度 浪费和成本的提高。
[0004]目前针对机床精度设计已有相关研究与探索，并且取得了一定的进展，参考文献1 提出一种利用空间矢量链模型建立机床零部件精度与刀具体积误差的映射关系，解决了Ξ 轴并联机床在已知刀具最大体积误差情况下，零部件制造公差的精度设计;参考文献2通过 层次分析法与实力推理技术获得数控机床初始精度分配，并通过建立面向机床成本和可靠 性的机床精度的优化模型，利用遗传算法求取精度分配方案的化reto最优解，完成对机床 精度分配。
[000引上述方法解决了在已知机床整体精度要求的情况下，机床零部件精度的分配问 题，但缺乏面向复杂零件加工精度的机床精度设计方法，不能直接针对零件加工要求进行 机床精度设计。
[0006]参考文献1:黄田，王洋.面向制造的并联机床精度设计[J].中国机械工程，1999， 10(10):1114-1118.
[0007]参考文献2:徐徐.高档数控机床精度分配设计与优化方法及应用研究[D].浙江大 学，2013.
【发明内容】
[0008]本发明要解决的技术问题是:针对目前机床厂家在机床设计过程中依赖经验和标 准或反复试验，周期长、工作量大等问题，提出了一种基于特征的机床精度优化设计方法， 直接利用零件的加工特征精度要求进行机床精度优化设计。
[0009]本发明的技术方案为:基于特征的机床精度优化设计方法，直接利用零件特征的 加工精度要求来进行机床精度优化设计，首先依据零件加工特征得到的零件特征的加工策 略，结合零件特征的加工精度要求与机床结构，建立零件特征的加工精度与机床精度的约 束关系，并利用成本信息建立优化设计目标函数，计算得到优化的机床精度设计参考值，建 立机床精度优化模型，完成机床精度优化;其中建立零件特征的加工精度与机床精度的约 束关系时，先根据机床结构构建机床精度与刀具位姿误差间的关系，然后根据零件特征的 加工策略与零件特征的加工精度要求构建得到零件特征的加工精度要求与刀具位姿误差 间的约束关系，最后W刀具位姿误差为中间桥梁得到机床精度与零件特征加工精度要求间 的约束关系。
[0010] 所述根据机床结构构建机床精度与刀具位姿误差间的关系具体为：
[0011] 分析机床结构信息，得到机床的运动链，构建出机床部件k和相邻低等级机床部件 j之间的转换矩阵坏，W及机床部件j相邻低等级机床部件q之间的转换矩阵F，即运动链 的转换矩阵：
[0014] 打；、巧和片分别表示机床部件k相对于机床部件j的位置转换矩阵、位置 误差矩阵、运动转换矩阵和运动误差矩阵，^7；、妒和S马g分别是机床部件j相对于机 床部件q的位置转换矩阵、位置误差矩阵、运动转换矩阵和运动误差矩阵;对于不相邻的机 床部件时目对于机床部件9转换矩阵貧，有打^=^；^^7'，其中位置误差矩阵和运动误差矩阵由 机床精度构成；
[0015]根据得到的机床部件间的转换矩阵计算机床加工时由机床误差导致的刀具位姿 误差，包括刀具位置误差[Ex，Ey，Ez]和刀具姿态误差[Ei，&，Ek]，并W此建立机床误差与刀 具位姿误差间的关系，即机床精度与刀具位姿误差间的关系表达式如下：
[0018] 其中Rw和Rt分别是刀位点在工件和切削刀具的坐标系下的位置坐标;Vw和Vt分别 是刀位点在工件和切削刀具的坐标系下的姿态坐标；Jr为工件到床身的转换矩阵，·；7为 刀具到床身的转换矩阵，根据运动链的转换矩阵计算得到。
[0019]所述构建得到零件特征的加工精度要求与刀具位姿误差间的约束关系具体为：
[0020] 根据不同特征的不同加工策略，对应构建需加工特征的加工精度要求与刀具位姿 误差间的约束关系：
[0021] 根据刀具位姿误差与特征的加工精度要求之间的几何关系，计算每个特征的加工 精度要求相对于刀具位姿误差的函数关系Nm化x，Ey，Ez，Ei，Ej，Ek)，m=l...n，n由具体的特 征精度要求数目决定，对于特征的加工精度要求T，则形成W下约束：
[0022] Nm巧x，Ey，Ez，Ei，Ej，Ek)<T。
[0023] 所述机床精度与零件特征加工精度要求间的约束关系具体为：
[0024]根据得到不同特征的加工精度要求相对与刀具位姿误差的约束关系，W及机床精 度与刀具位姿误差间的关系，由此得到机床精度与零件特征加工精度要求间的约束关系， 并参考机床精度规范或经验提供的设计值范围[era,erb]构建如下约束，r为机床精度几何 误差项数：
[0025]
[0026] 其中Xel，Xe2…Xer是机床精度的设计值。
[0027]所述利用成本信息建立优化设计目标函数具体为:采用机床精度成本函数作为优 化目标函数，首先选择符合装配误差成本关系的幕指数的模型c(x)=a+b/x6作为机床精度 和成本之间的关系函数，其中X为机床某一项精度，a、b、e为机床精度模糊成本的系数，c(x) 为实现精度项X的装配成本;其次，通过W下步骤确定模糊成本权重：
[0028] 1)W装配调试时间表示模糊装配成本，构建机床相邻体间的模糊装配成本权重 Wp：
[0029]
[0030] Τρ及Tu分别表示第P对、第U对机床相邻体之间的装配调试耗时，Τρ和Tu由实际中统 计得到，S表示机床相邻体的总对数；
[0031] 2)计算每项机床精度的模糊成本权重，设第P对相邻体共产生si项机床精度，则运 si项机床精度的模糊成本权重分别为：
[0032]
[0033]其中，α。表示在第P对相邻体中第0个误差的成本权重系数，αι表示在第P对相邻体 中任意一个误差的成本权重系数，〇。，〇1由实际中统计得到；
[0034]最后形成机床精度成本关系优化目标函数：
[0035]
[0036] 其中，Cost(x)为总的成本，C(xi)表示第I项机床精度的模糊成本;?为第I项机床 精度的分配值；
[0037]通过W上步骤W机床精度与特征加工精度间的约束为基础，W数控机床各功能部 件之间的机床精度为设计变量，数控机床模糊精度成本最小为目标，设计机床设计要求和 用户加工要求为约束，完成基于特征的机床精度设计优化模型的构建。
[0038]本发明提供了一种基于特征的机床精度优化设计方法，直接利用零件的加工特征 精度进行机床精度优化设计，解决了机床设计人员在机床设计过程中依赖经验和标准或反 复试验导致的周期长、