专利名称：影响机床轨迹控制精度的形位公差分析方法和装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及虚拟设计技术领域，尤其涉及影响机床轨迹控制精度的形位公差分析
方法和装置。
背景技术：
机床控制设计一般可以分为轨迹控制设计和顺序控制设计两个部分，在轨迹控制 设计中轨迹控制的精度是很重要的，而形位公差对轨迹控制的精度会产生重要的影响，形 位公差分析在机床设计中是很关键且难度较大的一部分。 在传统技术中，公差分析通常是采用计算尺寸链的方法，静态的分析机床零部件 加工或装配等所产生的形位公状和位置误差对尺寸链的影响，而不能从动态角度综合分析 形位公差对机床轨迹控制精度的影响。
发明内容
本发明实施例提供影响机床轨迹控制精度的形位公差分析方法和装置，能够分析 各零部件形位公差对机床动态性能的影响。 —种影响机床轨迹控制精度的形位公差分析方法，包括
在机床的动力学模型中为关键零部件设置待分析形位公差； 以机床的驱动力矩为输入信号，生成添加所述形位公差后的机床动力学模型，再 由动力学模型生成对应的数学模型； 调用相应的求解器对所述数学模型进行求解，获得所述形位公差所导致的机床运 动轨迹的偏差。 —种影响机床轨迹控制精度的形位公差分析装置，包括 形位公差设置单元，用于在机床的动力学模型中为关键零部件设置待分析形位公 差； 数学模型生成单元，用于以机床的驱动力矩为输入信号，生成添加所述形位公差 后的机床的动力学模型对应的数学模型； 求解单元，用于调用相应的求解器对所述数学模型进行求解，获得所述形位公差 所导致的机床运动轨迹的偏差。 本发明实施例通过在计算机内建立机床的动力学模型，可以根据动力学模型分析 零部件形位公差对机床动态性能(如机床轨迹控制精度)的影响。另外，本发明实施例还 具有较好的通用性，能够针对装配体分析多种不同形位公差(如直线度、平面度、不平行度 等)，并且由于避开了传统手工计算、分析公差尺寸链的方法，因此可以縮短机床的设计时 间，节约设计成本。
图1是本发明形位公差分析方法实施例的流程 图2是本发明实施例中机床三维数字化模型的示意图； 图3是本发明实施例中机床三维数字化模型中Z轴部分的示意图； 图4是本发明实施例中机床三维数字化模型的补充示意图； 图5是本发明实施例中机床三维数字化模型连接拓扑构型图，其中Hl-H6依次分 别表示固定联接、平面副、柔性连接、转动副、螺母副和移动副，2x、4x和12x依次表示零部 件共2、4和12个； 图6是本发明实施例中机床动力学模型的示意图； 图7是本发明实施例中机床动力学模型的补充示意图； 图8是本发明实施例中机床动力学模型中Z轴部分的示意图； 图9是本发明实施例中形位公差取不同值时所导致的机床运动轨迹偏差的示例
具体实施例方式
下面对本发明所提供的影响机床轨迹控制精度的形位公差分析方法和装置的推 荐实施例进行描述。 参考图l，本发明影响机床轨迹控制精度的形位公差分析方法实施例包括 Al、在机床的动力学模型中为关键零部件设定待分析形位公差。 形位公差具有公差值可调整、公差带方向变化等特点。本发明实施例中，可以根据
实际工况，实现对机床上不同的零部件上的不同形位公差(如直线度、不平行度、同轴度、
平面度等)进行分析，所有形位公差可以组成一个形位公差组，可以每次指定其中的单个
或多个形位公差进行分析。在对所指定的形位公差进行分析时，可以在机床的动力学模型
中仅设置所述被指定的形位公差，其优点是只需要关注所指定的形位公差，实现简单，可以
减少分析过程中的计算量，提高处理速度。此外，也可以在机床的动力学模型中设置形位公
差组中的所有形位公差，而仅分析所指定的形位公差，其优点是在分析过程中能够模拟出
各形位公差之间的相互作用，使得分析结果更逼近真实。 其中，参考图2至图8，可以通过以下步骤根据实际装配工艺建立机床的动力学模 型 首先，建立机床的三维数字化装配模型； 精密机床能实现x、 y、 z三方向的精准定位，它由三类组成，基础件、标准件、功能
件。基础件包括工作台、电机座等；标准件包括导轨、丝杠等，数字化模型应包括完整的机
床零部件几何信息、零部件相对空间位置信息、零部件材料信息等。可以根据厂商提供的相
关资料对标准件进行三维建模。标准件数字模型与实物具有一致的外形尺寸，另外根据实 物材质添加质量属性，含有质量信息的数模在重量、质心位置、惯量等物理特性方面与实物
保持一致。对于基础件的几何建模，需要设计部门根据实现功能自行设计，该部分零件参数
化模型容易获得。多种功能元件、标准件、基础件参数化模型按设计工艺在软件环境中完成
虚拟装配，装配后模型需要检查零部件相互位置关系、有无设计缺陷，是否存在相互干涉现
象、整机重量是否符合要求等内容。 其次，为所述装配模型设置运动铰。 在动力学软件环境中输入机床的三维数字化装配模型，按机床运动轨迹给数字化模型设置移动副、旋转副、平面副、螺纹副、固定副等运动铰，添加运动铰后的动力学模型可 以实现运动学仿真，由仿真结果检查机床运动铰是否设置合理。 机床运动铰设置完成后，在模型需要处设置柔性联接，增加力元和外力等要素，力 元大小、方向按实际装配工艺添加。力元设置完成后，机床动力学模型已基本建立。之后可 以在动力学模型上设置摩擦力、形位公差等参数。 A2、以机床的驱动力矩为输入信号，生成添加所述形位公差后的机床动力学模型， 再由动力学模型生成对应的数学模型。 其中，可以在模型内部通过施加扰动的方法实现形位公差的设置。 A3、调用相应的求解器对所述数学模型进行求解，获得机床运动轨迹偏差，该偏差
由零部件所设置的形位公差引起。 A4、根据机床运动轨迹，对引起运动轨迹偏差的形位公差进行分析。 本发明实施例通过在计算机内建立机床的分析动力学模型，可以根据动力学模型
分析零部件的形位公差对机床动态性能(如机床轨迹控制精度)的影响。另外，本发明实施
例还具有较好的通用性，能够分析多种不同的形位公差(如直线度、平面度、不平行度等)，
并且由于避开了传统手工计算、分析公差尺寸链的方法，因此可以縮短机床的设计时间，节
约设计成本。 在本发明形位公差分析方法实施例中，在获得所述形位公差所导致的机床运动轨 迹的偏差后，可以直接显示所获得的偏差值，也可以根据所获得的偏差值绘制出机床运动 轨迹偏差的图形(如图9所示，图中的曲线1、2、3分别表示所分析的形位公差导轨不平行 度在取三个不同的值时，分别导致的机床动态轨迹的偏差)，以供设计人员进一步分析该形 位公差对机床轨迹控制精度的影响。 在本发明形位公差分析方法实施例中，在获得所述形位公差所导致的机床运动轨
迹的偏差后，还可以根据所获得的偏差对所述形位公差对机床轨迹控制精度的影响程度进
行自动分析。例如，可以预先设置机床运动轨迹的偏差值与形位公差对机床轨迹控制精度
的影响等级的对应关系，根据该对应关系，可以确定与所获得的偏差对应的影响等级并显
示，使设计人员能够直接了解到该形位公差对机床轨迹控制精度的影响。 对形位公差组中的各形位公差分别进行分析后，可以获得各形位公差各自对机床
运动轨迹控制精度的影响，进而确定对机床运动轨迹控制精度影响比较大的形位公差及其
影响程度。根据该结果可以重新优化、分配机床零部件的形位公差带，实现机床轨迹控制精
度最佳、零部件易于加工和装配这一目标。 本发明还提供影响机床轨迹控制精度的形位公差分析装置的实施例，该装置包 括 形位公差设置单元，用于在机床的动力学模型中为关键零部件设置待分析形位公 差； 数学模型生成单元，用于以机床的驱动力矩为输入信号，生成添加所述形位公差 后的机床的动力学模型对应的数学模型； 求解单元，用于调用相应的求解器对所述数学模型进行求解，获得所述形位公差 所导致的机床运动轨迹的偏差。 在本发明形位公差分析装置的更多实施例中，所述形位公差分析装置还可以包括装配模型建立单元，用于建立机床的三维数字化装配模型；以及动力学模型建立单元， 用于建立所述三维数字化装配模型的动力学模型，其中建立所述三维装配模型的动力学模 型具体包括为所述虚拟装配模型设置运动铰；以及在模型需要处设置柔性联接，增加力 元和外力。 在本发明形位公差分析装置的更多实施例中，所述形位公差分析装置还可以包 括分析单元，用于根据所获得的偏差对所述形位公差对机床轨迹控制精度的影响程度进 行自动分析。例如，可以预先设置机床运动轨迹的偏差值与形位公差对机床轨迹控制精度 的影响等级的对应关系，根据该对应关系，可以确定与所获得的偏差对应的影响等级并显 示，使设计人员能够直接了解到该形位公差对机床轨迹控制精度的影响。 在获得所述形位公差所导致的机床运动轨迹的偏差后，可以直接显示所获得的偏 差值，也可以根据所获得的偏差值绘制出机床运动轨迹偏差的图形，以供设计人员进一步 分析该形位公差对机床轨迹控制精度的影响。 对形位公差组中的各形位公差分别进行分析后，可以获得各形位公差各自
对机床运动轨迹控制精度的影响，进而确定对机床运动轨迹控制精度影响比较大 的形位公差及其影响程度。根据该结果可以重新优化、分配机床零部件的形位公差带，实现 机床轨迹控制精度最佳、零部件易于加工和装配这一 目标。 综上，本发明实施例通过在计算机内建立机床的虚拟装配模型，基于合理装配构 架，建立分析动力学模型，根据动力学模型进行形位公差的分析，根据分析结果优化形位公 差的设置，以便协调零部件在使用要求、制造成本及装配工艺之间的矛盾。本发明实施例 与传统公差分析方法相比，能分析机床动态条件下，零部件多种形位公差对机床动态性能 (如机床轨迹控制精度)的影响。另外，本发明实施例还具有较好的通用性，能够分析多种 不同的形位公差(如直线度、平面度、不平行度等)，并且由于避开了传统手工计算、分析公 差尺寸链的方法，因此可以縮短机床的设计时间，节约设计成本。 以上对本发明实施例所提供的影响机床轨迹控制精度的形位公差分析方法和装 置进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上 实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技 术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式
及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本 说明书内容不应理解为对本发明的限制。
权利要求
一种影响机床轨迹控制精度的形位公差分析方法，其特征在于，包括在机床的动力学模型中为关键零部件设置待分析形位公差；以机床的驱动力矩为输入信号，生成添加所述形位公差后的机床动力学模型，再由动力学模型生成对应的数学模型；调用相应的求解器对所述数学模型进行求解，获得所述形位公差所导致的机床运动轨迹的偏差。
2. 如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述待分析形位公差具体是从包括多个待 分析形位公差的形位公差组中被指定的单个或多个形位公差。
3. 如权利要求2所述的方法，其特征在于，在机床的动力学模型中仅设置所述被指定 的形位公差；或者在动力学模型中还设置所述形位公差组中的其他形位公差。
4. 如权利要求1所述的方法，其特征在于，通过以下方法建立所述机床动力学模型 建立机床的三维数字化装配模型； 为所述数字化装配模型设置运动铰；在模型需要处设置柔性联接，增加力元和外力。
5. 如权利要求1所述的方法，其特征在于，在模型内部通过施加扰动的方法实现形位 公差的设置。
6. 如权利要求1至5任一项所述的方法，其特征在于，获得所述形位公差所导致的机床 运动轨迹的偏差后还包括根据所获得的偏差对所述形位公差对机床轨迹控制精度的影响 程度进行自动分析。
7. 如权利要求6所述的方法，其特征在于，根据所获得的偏差对所述形位公差对机床 轨迹控制精度的影响程度进行自动分析具体包括在预置的偏差值与影响等级的对应关系中，确定与所获得的偏差对应的影响等级，并 显示该影响等级。
8. —种影响机床轨迹控制精度的形位公差分析装置，其特征在于，包括 形位公差设置单元，用于在机床的动力学模型中为关键零部件设置待分析形位公差； 数学模型生成单元，用于以机床的驱动力矩为输入信号，生成添加所述形位公差后的机床的动力学模型对应的数学模型；求解单元，用于调用相应的求解器对所述数学模型进行求解，获得所述形位公差所导致的机床运动轨迹的偏差。
9. 根据权利要求8所述的装置，其特征在于，所述装置还包括 装配模型建立单元，用于建立机床的三维数字化装配模型；动力学模型建立单元，用于建立所述三维数字化装配模型的动力学模型，其中建立所 述三维装配模型的动力学模型具体包括为所述虚拟装配模型设置运动铰；以及在模型需 要处设置柔性联接，增加力元和外力。
10. 根据权利要求8或9所述的装置，其特征在于，所述装置还包括分析单元，用于根 据所获得的偏差对所述形位公差对机床轨迹控制精度的影响程度进行自动分析。
全文摘要
本发明涉及虚拟设计技术领域，公开了影响机床轨迹控制精度的形位公差分析方法和装置。所述方法包括在机床的动力学模型中为关键零部件设置待分析形位公差；以机床的驱动力矩为输入信号，生成添加所述形位公差后的机床动力学模型，再由动力学模型生成对应的数学模型；调用相应的求解器对所述数学模型进行求解，获得所述形位公差所导致的机床运动轨迹的偏差。本发明实施例能够分析各零部件形位公差对机床动态性能的影响。
文档编号G01B21/00GK101713643SQ200810216689
公开日2010年5月26日 申请日期2008年10月7日 优先权日2008年10月7日
发明者宋福民, 肖俊君, 高云峰 申请人:深圳市大族激光科技股份有限公司;深圳市大族数控科技有限公司