一种精密机床滚动直线导轨安装面直线度的设计方法
【专利摘要】一种精密机床滚动直线导轨安装面直线度的设计方法，首先用基于模态基函数的方法表达了装配特征面的形状误差；在给定直线度公差内生成了随机误差样本。然后利用ANSYS有限元软件，根据生成的随机误差建立基于有限元的形状误差传递模型，通过有限元分析得到滚动直线导轨的装配误差；采用蒙特卡洛法，将给定公差带内生成的全部随机误差输入到有限元误差传递模型进行计算，得到导轨装配完成后的直线度公差，建立导轨装配公差分析模型。最后，基于导轨装配公差分析模型，利用循环搜索的思想实现滚动导轨安装面直线度设计。本发明可以降低对经验的依赖，为导轨安装面直线度设计提供可靠的理论指导，能够缩短产品开发时间，减低成本，提高经济效益。
【专利说明】一种精密机床滚动直线导轨安装面直线度的设计方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于公差设计领域，具体涉及一种精密机床滚动直线导轨安装面直线度的 设计方法。
【背景技术】
[0002] 机床导轨装配精度直接影响机床进给系统精度，进而影响机床整机精度性能，而 导轨的装配精度主要受导轨安装面直线度影响。如何合理的设计安装面直线度来保证导轨 装配精度是一个重要命题。在精密机床滚动直线导轨安装面直线度的设计中，设计人员主 要依靠设计手册和以往的设计经验，在新产品开发中不得不采用样机试制的方法，在样机 试制过程中不断的修改初始的设计公差值，以满足精度和加工性要求，这样导致设计周期 增长，设计成本提高等问题。
[0003] 精密机床导轨装配中形状误差对装配精度的影响不容忽视，为了引入形状误差对 装配精度的影响，首先需要实现对产品几何误差的全面表达。传统的尺寸链的方法和小位 移旋量法都无法表达装配特征面的形状误差，公差分析的方法一般有三种：极值法、统计法 和蒙特卡洛法。极值法需要考虑装配过程中最糟糕的情况，这将会造成对零件的精度要求 非常苛刻，对于机床这种末端精度要求比较高的精密机械系统不适用。统计法是通过零件 误差的统计学参数得到装配误差的统计学参数，从而预测装配公差。统计法一般要求零件 误差与装配误差存在线性关系。蒙特卡洛法需要列举大量的误差状态，对于每一次误差状 态计算得到装配误差，从多次计算的装配误差结果预测装配公差。
【发明内容】
[0004] 本发明的目的在于提供一种能够缩短产品开发时间的精密机床滚动直线导轨安 装面直线度的设计方法。
[0005] 为了达到上述目的，本发明采用的技术方案包括以下步骤：
[0006] 1)根据导轨尺寸得到理想装配特征面的模态基函数Y ;根据导轨的形状误差与模 态基函数的映射关系得到导轨模态系数均值μ。；且导轨模态系数均值μ。采用下式得到：
[0007] μ。= (YTY) μ Ε ;其中，μ Ε为理想导轨的测量值；
[0008] 同时，根据导轨安装面的形状误差与模态基函数的映射关系得到导轨安装面的模 态系数均值μ。，，且导轨安装面的模态系数μ。，均值采用下式得到：μ。，= (ΥΤΥΓΥΤμ Ε'，其 中，μ Ε，为名义导轨安装面的测量值；
[0009] 2)采用循环搜索的方式确定导轨装配后的直线度公差，包括如下步骤
[0010] 2. 1)分别给定导轨安装面直线度的初始值?\ (m)和导轨的直线度Τ，并令Κ = 1， m = 1，且m为循环次数；
[0011] 2. 2)根据导轨的直线度T得到导轨的模态系数协方差c〇V(c);且导轨模态系数协 方差c〇V(c)的表达式为：c〇v(c) = f (FTF)4;然后利用导轨模态系数均值μ。和导轨模态 16 系数协方差C〇V(C)按照正态分布规律生成导轨随机模态系数；最后，利用导轨随机模态系 数生成导轨随机误差E ;导轨随机误差E的表达式为：
【权利要求】
1. 一种精密机床滚动直线导轨安装面直线度的设计方法，其特征在于，包括以下步 骤： 1) 根据导轨尺寸得到理想装配特征面的模态基函数Y ;根据导轨的形状误差与模态基 函数的映射关系得到导轨模态系数均值μ。；且导轨模态系数均值μ。采用下式得到： μ。= (γτγΓιγτμ ε ;其中，μ ε为理想导轨的测量值； 同时，根据导轨安装面的形状误差与模态基函数的映射关系得到导轨安装面的模态系 数均值μ。，，且导轨安装面的模态系数μ。，均值采用下式得到：μ。，= ，，其中， μ E，为名义导轨安装面的测量值； 2) 采用循环搜索的方式确定导轨装配后的直线度公差，包括如下步骤 2. 1)分别给定导轨安装面直线度的初始值(m)和导轨的直线度T，并令K = 1，m = 1,且m为循环次数； 2. 2)根据导轨的直线度T得到导轨的模态系数协方差c〇V(c);且导轨模态系数协方差 c〇v(c)的表达式为：c〇v(t:) = f Wr1;然后利用导轨模态系数均值μ。和导轨模态系数 16 协方差C〇V(C)按照正态分布规律生成导轨随机模态系数；最后，利用导轨随机模态系数生 成导轨随机误差E ;导轨随机误差E的表达式为
/ = R ;其中，Yi为第i阶模态基 函数，Ci为第i阶导轨的模态系数，c为导轨的模态系数； 2.3) 根据Km)得到导轨安装面的模态系数协方差c〇V(c'）；且导轨安装面的模态系 数协方差cov (c'）的表达式为：C〇v(c') = 1 ΚΓ1;然后利用导轨安装面的模态系数 16 均值μ。，和导轨安装面的模态系数协方差c〇v(c'）按照正态分布规律生成导轨安装面的随 机模态系数；最后，利用随机模态系数生成导轨安装面的随机误差Ε' ；导轨安装面的随机 η 误差E'的表达式为：^ = Σ<飞 = Fc';其中，c'i为第i阶导轨安装面的模态系数，C'为 /=1 导轨安装面的模态系数； 2.4) 在ANSYS有限元软件中输入导轨随机误差E和导轨安装面的随机误差E'建立具 有误差的几何模型；然后利用具有误差的几何模型在ANSYS有限元软件中建立基于有限元 的形状误差传递模型； 2. 5)给定导轨装配后直线度的置信概率，采用蒙特卡洛法将给定公差带内生成的导轨 随机误差E和导轨安装面的随机误差E'输入到基于有限元的形状误差传递模中进行仿真， 得到导轨装配直线度公差； 2. 6)将仿真得到导轨装配直线度公差与给定的装配直线度公差要求进行比较，若仿真 得到的导轨装配直线度公差小于等于给定的装配直线度公差，则导轨安装面直线度的设计 值Td = ?^Οιι)，令K = 2, m = m+Ι，放大导轨安装面的直线度到?^Οιι)，返回步骤2. 3);若仿 真得到的导轨装配直线度公差大于给定的装配直线度公差，则判断K是否等于2 ; 若K尹2,则m = m+Ι，减小导轨装配后的直线度公差到?^Οιι),并返回步骤2. 3); 若K = 2,则输出导轨安装面直线度的设计值Td。
2.根据权利要求1所述的精密机床滚动直线导轨安装面直线度的设计方法，其特征在 于：所述的步骤1)中模态基函数Y是利用ANSYS有限元软件得到的。
【文档编号】G06F17/50GK104102774SQ201410322753
【公开日】2014年10月15日 申请日期:2014年7月8日 优先权日:2014年7月8日
【发明者】刘志刚, 洪军, 武晓攀, 郭俊康, 李逸群 申请人:西安交通大学