一种考虑测量与调整工艺的精密机床公差设计方法
【专利说明】一种考虑测量与调整工艺的精密机床公差设计方法 【技术领域】
[0001] 本发明属于机械设计领域，具体涉及一种考虑测量与调整工艺的精密机床公差设 计方法。 【【背景技术】】
[0002] 机床精度性能是机床设计的基本指标，是通过设计、制造、装配综合保障的。然而 我国目前的机床精度设计中无法摆脱对经验的依赖，主要通过类比和查询手册的方法进行 公差设计和装配工艺规划。缺乏准确、可靠的公差分析与装配工艺规划设计工具。为使设 计成功的把握性有所提高，往往经过企业的反复试制，设计师反复修改才能定型，从而错过 将新开发产品推向市场的良机且增加了制造成本。 【
【发明内容】
】
[0003] 本发明的目的在于针对现有机床公差设计过程中依赖工程师经验、以及精度不足 与精度过剩的问题，提供一种考虑测量与调整工艺的精密机床公差设计方法，该方法能够 对机床公差进行准确、可靠的分析，从而保障机床的精度性能。
[0004] 为达到上述目的，本发明采用的技术方案为：
[0005] -种考虑测量与调整工艺的精密机床公差设计方法，包括以下步骤：
[0006] 1)将机床简化为基础大件，确定机床基础大件的关键特征面，并以关键特征面为 基础，借助零部件的名义或实际方位建立局部坐标系；同时根据机床的拓扑结构及装配工 艺过程，确定基本系数矩阵、调整系数矩阵及观测矩阵，建立状态空间方程；
[0007] 2)根据市场调研及制造企业自身加工水平，确定精度成本矩阵、调整成本权重矩 阵及精度指标权重矩阵，建立成本目标函数；并通过离散系统输出调节器，结合零部件误 差，利用卡尔曼滤波方法得到调整序列；
[0008] 3)将状态空间方程改写为高斯马尔科夫随机过程方程，根据高斯马尔科夫随机过 程方程得到协方差矩阵，然后根据装配工艺过程迭代求解，得到整体装配完成后的协方差 矩阵；
[0009] 4)利用整体装配完成后的协方差矩阵，结合方差合成公式，得到机床总的精度指 标与零部件偏差的函数关系f;
[0010] 5)建立精度总成本与零部件精度指标之间的函数关系式W，并以此为目标函数， 以函数关系f?为约束条件，得到零部件公差分配结果，完成机床公差设计。
[0011] 所述步骤1)中的基础大件包括床身、立柱、滑座、主轴箱、滑鞍和工作台，所述的 关键特征面包括基础大件的安装、连接表面以及末端表面。
[0012] 所述步骤1)中的基本系数矩阵为A(k)、B(k)和F(k)，调整系数矩阵为T(k)，观测 矩阵为C(k)，建立的状态空间方程如式（1)所示，
【主权项】
1. 一种考虑测量与调整工艺的精密机床公差设计方法，其特征在于，包括w下步骤： 1) 将机床简化为基础大件，确定机床基础大件的关键特征面，并W关键特征面为基础， 借助零部件的名义或实际方位建立局部坐标系；同时根据机床的拓扑结构及装配工艺过 程，确定基本系数矩阵、调整系数矩阵及观测矩阵，建立状态空间方程； 2) 根据市场调研及制造企业自身加工水平，确定精度成本矩阵、调整成本权重矩阵及 精度指标权重矩阵，建立成本目标函数；并通过离散系统输出调节器，结合零部件误差，利 用卡尔曼滤波方法得到调整序列； 3) 将状态空间方程改写为高斯马尔科夫随机过程方程，根据高斯马尔科夫随机过程 方程得到协方差矩阵，然后根据装配工艺过程迭代求解，得到整体装配完成后的协方差矩 阵； 4) 利用整体装配完成后的协方差矩阵，结合方差合成公式，得到机床总的精度指标与 零部件偏差的函数关系f; 5) 建立精度总成本与零部件精度指标之间的函数关系式W，并W此为目标函数，W函 数关系f为约束条件，得到零部件公差分配结果，完成机床公差设计。
2. 根据权利要求1所述的考虑测量与调整工艺的精密机床公差设计方法，其特征在 于：所述步骤1)中的基础大件包括床身、立柱、滑座、主轴箱、滑鞍和工作台，所述的关键特 征面包括基础大件的安装、连接表面W及末端表面。
3. 根据权利要求1所述的考虑测量与调整工艺的精密机床公差设计方法，其特征在 于：所述步骤1)中的基本系数矩阵为A化)、B化）和F化)，调整系数矩阵为T化)，观测矩阵 为〇化)，建立的状态空间方程如式（1)所示，
其中A(k)为第k步装配时的常数矩阵，F(k)为将第k个零件装配中的误差由第k个 零件坐标系向基础坐标系转换的6X6矩阵，太(A)表示在基准传递链中第k个零件装配特 征面坐标系的位置与方位相对于其名义位姿的总偏差，&作）为第k个零件进行装配时实际 位姿相对于名义位姿在零件坐标系中的偏差，义坏+ 1)为第k个零件装配完成后的整体状 态相对于基础坐标系的总偏差累积6X1矢量，B(k)为误差调整矢量!^作）由第k个零件 的零件坐标系到基础坐标系的转换矩阵，C(k)为第k步装配完成后的rX6的元素为0或 1的输出矩阵，vW为第k步装配完成后的rX1 (r《6)的输出矢量，W0为第k步装配时 的噪声，为误差调整矢量，0《k《N，N为装配总步数或装配零件总个数。
4. 根据权利要求1所述的考虑测量与调整工艺的精密机床公差设计方法，其特征在 于：所述步骤2)中的精度成本矩阵为S，调整成本权重矩阵为R化)，精度指标权重矩阵为 Q化)，建立的成本目标函数J如式（2)所示，
通过下式计算得到调整序列： u*化）=-K化)X化） 其中，列W)为整体装配完成后的rX1 (r《6)的输出矢量，上标T表示转置，KA-)为第k步装配完成后的rXl(r《6)的输出矢量，0《k《N，N为装配总步数，Q(k)为第k步 装配完成后的精度指标权重矩阵，WA)为第k步装配过程控制中描述配合特征误差调整的 6X1矢量，R(k)为第k步装配过程中的调整成本权重矩阵，X(k)是第k步装配完成后的总 偏差，u*(k)是调整序列，K(k)是卡尔曼增益系数。
5. 根据权利要求4所述的考虑测量与调整工艺的精密机床公差设计方法，其特征在 于：所述的卡尔曼增益系数K(k)通过下式计算得到： K化）=巧化)+BT化)P化+1)B化)]-ibt化)P化+1)A化） P化）=Q似+AT似P化+1) [I+B似R-1似护似P化+1) ]-iA化） 其中，R(k)为第k步装配过程中的调整成本权重矩阵，B(k)为误差调整矢量;由 第k个零件的零件坐标系到基础坐标系的转换矩阵，》s'(/〇为误差调整矢量，A(k)为第k步 装配时的常数矩阵，上标T表示转置，Q化）为第k步装配完成后的精度指标权重矩阵，I是 单位矩阵，P化)、P化+1)分别为第k步和第k+1步的Ricatti方程，0《k《N，N为装配总 步数或装配零件总个数。
6. 根据权利要求1所述的考虑测量与调整工艺的精密机床公差设计方法，其特征在 于：所述步骤3)中的高斯马尔科夫随机过程方程如式（3)所示， 又,(k) =A(k)X(k) +F(k)&(k) 乂(A: + 0 = [/ -公(A')r(A:)(叫]乂,(叫（3 ) 协方差矩阵如式（4)所示， 町化）=AT化)D化)A化)+F化)V化)pT化） D化+1) = [I-B化)T化)K化)]Di化）[I-B化)T化)K化)]T (4) 其中X(/〇是第k步装配并调整完成后的总偏差，A(k)为第k步装配时的常数矩阵， 上标T表示转置，幻表示在基准传递链中第k个零件装配特征面坐标系的位置与方位相 对于其名义位姿的总偏差，F(k)为将第k个零件装配中的误差由第k个零件坐标系向基础 坐标系转换的6X6矩阵，&作)为第k个零件进行装配时实际位姿相对于名义位姿在零件 坐标系中的偏差，^的+1)为第k个零件装配完成后的整体状态相对于基础坐标系的总偏 差累积6X1矢量，I是单位矩阵，B(k)为误差调整矢量<78作)由第k个零件的零件坐标系 到基础坐标系的转换矩阵，为误差调整矢量，T(k)为调整系数矩阵，K(k)是卡尔曼 增益系数斯化）是第i个零件第k步状态量的协方差矩阵，D化）为第k步状态量的协方差 矩阵，D化+1)为第k+1步状态量的协方差矩阵，V(k)为第k步所引入的零件误差的方差， 0《k《N，N为装配总步数或装配零件总个数； 通过式（4)迭代计算得到整体装配完成后的协方差矩阵D(N)。
7. 根据权利要求1所述的考虑测量与调整工艺的精密机床公差设计方法，其特征在 于：所述步骤4)中的方差合成公式如下： Ej=D(m)+D(n) -2D(m)D(n) 总的精度指标E与零部件偏差的函数关系f如下： E=/'(&(A-)) 其中，Ei为第i项精度指标要求，D(m)为D(N)中对角线上第m项的值，D(n)为D(脚中 对角线上第n项的值，D(N)为整体装配完成后的协方差矩阵，E=巧i，E2,…，Ei，…，Eh)， H为总的精度要求相目的个数，0《i《H。
8.根据权利要求1所述的考虑测量与调整工艺的精密机床公差设计方法，其特征在 于：所述步骤5)中的函数关系式W如下：
其中H为总的精度要求相目的个数，0《i《H，Ei为第i项精度指标要求，0i为第i项 精度成本。
【专利摘要】本发明公开了一种考虑测量与调整工艺的精密机床公差设计方法，首先根据关键特征面定义相关坐标系；然后确定机床装配体的状态空间方程及其基本系数矩阵；其次，建立成本目标函数，并通过离散系统输出调节器获得最优调整序列，从而将状态空间方程转换为高斯马尔科夫随机过程方程；然后得到协方差矩阵，并迭代计算得到整体装配完成后的协方差矩阵；再利用整体装配完成后的协方差矩阵计算机床总的精度指标与零部件偏差的对应函数关系；最后建立精度总成本与零部件精度指标之间的函数关系式，求解获得最优零部件公差分配结果。该方法能够对机床公差进行准确、可靠的分析，从而保障机床的精度性能。
【IPC分类】G06F17-50
【公开号】CN104850698
【申请号】CN201510250115
【发明人】刘志刚, 洪军, 李宝童, 郭俊康, 刘鹏
【申请人】西安交通大学
【公开日】2015年8月19日
【申请日】2015年5月15日