一种以抵消变形误差为目标的机床装配结合面设计方法
【专利摘要】本发明公开了一种以抵消变形误差为目标的机床装配结合面设计方法，在CAD软件中根据静力学分析要求和机床结构特点进行结构简化，然后参数化装配机床实体模型；将经过简化和参数化装配的实体模型导入到有限元分析软件Ansys Workbench中；利用该软件创建自动分析与提取变形的容器，并正交化加工空间位置、网格划分，同时完成静力学分析与结果保存；然后通过数据学习获得机床装配名义结合面的在考虑整个加工空间变形情况下的实际变形量；对获得的实际变形量取反，并将取反后的量与名义结合面相加作为主动设计的机床装配结合面；基于蒙特卡洛方法以及最小二乘法，联合数据回归技术，完成装配结合面的轮廓度公差设计。
【专利说明】
-种从抵消变形误差为目标的机床装配结合面设计方法
技术领域
[0001] 本发明属于机械制造与设计领域，设及一种基于数据学习的机床装配结合面设计 方法，包含了 Workbench自动分析与提取变形技术、结合面主动设计技术W及结合面轮廓度 公差设计技术，具体设及一种W抵消变形误差为目标的机床装配结合面设计方法。
【背景技术】
[0002] 数控机床在切削力、夹紧力、重力和惯性力等作用下会产生明显附加几何变形，从 而破坏机床各组成部分原有的相互位置关系，产生附加加工误差，运被称作变形(力)误差。 研究指出变形误差占到机床所有误差的12%，是导致机床空间误差的第=大误差源。世界 顶级机床制造厂S井精机生产的超过精密机床7CN定位精度达到0.5um，在其官网上指出通 过刮研装配结合面有效降低了变形误差；国际著名机床厂DIXI指出其最高精度产品 DIXI270通过超过500小时的刮研也有效降低了变形误，保证了单轴精度W及轴与轴之间的 误差;我国著名机床主机厂，昆明机床、秦川机床等，在机床零件图纸上都会标注(-)或(+ ) 作为直线度、平面度的附加要求来降低变形误差对加工误差的影响。
[0003] 通过刮研削装配结合面来抵消几何变形对加工精度的破坏是机床制造企业的重 要手段，然而将机床装配结合面刮研削为何种形状，即在何处刮研，刮研多少等问题上，严 重依赖经验，缺乏科学合理定量化的技术方案。本质上讲是缺乏在考虑零件变形情况下的 零件轮廓形状设计方法。
[0004] 在对机床结合面主动设计为数不多的研究中，大连理工的Sun等利用多形式拟合 方法，对导轨结合面进行了"预变形"设计来抵消进给系统因为塑形变形导致的误差，但没 有从机床整机角度进行装配结合面主动设计；同时该方法是针对机床滑动结合面，对机床 固定结合面不适用；并且用多项式拟合方法只适用于构建二维轮廓，对于常见的机床=维 装配结合面轮廓不具有可行性。
【发明内容】
[0005] 本发明的目的在于针对当前机床制造主机厂缺乏科学合理、定量化的机床装配结 合面轮廓设计方法，严重依赖错工经验，W及针对当前结合面设计仅能针对二维形状的缺 陷的现状，提出一种W抵消变形误差为目标的机床装配结合面设计方法，该方法基于数据 学习方式，考虑整个加工空间变形的结合面轮廓及其轮廓度公差，能够大大降低变形误差。
[0006] 为达到上述目的，本发明采用的技术方案为：
[0007] -种W抵消变形误差为目标的机床装配结合面设计方法，包括W下步骤：
[000引1)在CAD软件中根据静力学分析要求和机床结构特点进行机床实体模型简化； [0009] 2)在CAD软件中参数化装配机床实体模型，得到参数化的装配体模型；
[0010] 3)利用Ansys Workbench软件将机床加工空间正交化，得到正交化的加工空间点；
[0011] 4)将参数化的装配体模型和正交化的加工空间点导入到Ansys Workbench容器 中；
[001^ 5)基于Ansys Workbench容器中得到的加工空间变形数据，利用数据学习方式，完 成装配结合面的设计；
[0013] 6)基于蒙特卡洛方法W及最小二乘法，联合数据回归方法，完成装配结合面轮廓 度公差设计。
[0014] 所述步骤1)中机床实体模型简化包括W下步骤：
[0015] (1)删除尺寸<20mm的圆角和倒角；
[0016] (2)删除不影响分析计算的特征，包括螺钉孔、螺栓孔和注油孔；
[0017] (3)传动系统简化，包括:减速箱内部使用等效质量代替进行结构简化，丝杠结构 使用简单圆柱代替；
[0018] (4)主轴结构简化，进行整机分析时，主轴作为整体结构考虑，使用等效实体模型 和等效质量代替主轴；
[0019] (5)运用质量点代替对整机结构刚性不产生影响的辅助结构，包括驱动电机和配 重；
[0020] (6)为保证单元质量，删除或修改模型中尺寸<20mm的平面特征；
[0021 ] (7)当零件数量较多时，对材料相同的螺栓连接部件进行合并；
[0022] (8)修改调整垫片模型尺寸，保证各零部件的准确装配。
[0023] 所述步骤2)中的参数化装配是指对于会随着机床运动轴位置改变而发生位置改 变的机床大件，参数化其装配位置，对于不随着机床运动轴位置改变的其他零部件，不参数 化其装配位置;其中会随着机床运动轴位置改变而发生位置改变的机床大件包括滑鞍、主 轴箱、工作台和托板。
[0024] 所述步骤3)中将机床加工空间正交化是指选择机床各个轴的行程、切削力、装夹 工件重量作为正交试验因素，根据机床常用加工的行程范围、切削力范围、常加工工件重 量，在Ansys Wor化ench中设置上述因素的上下限，利用Ansys Wor化ench的自动正交化功 能，完成正交试验点的设计，得到正交化的加工空间点。
[0025] 所述步骤4)具体为：将参数化的装配体模型和正交化的加工空间点导入Ansys Workbench容器中，并进行接触设定、网格划分和材料参数设定，其中对于机床整机结构，网 格划分的单元尺寸为IOmm至IOOmm之间，并在结构复杂、受力状况复杂W及关屯、的危险点处 进行网格细化。
[00%]所述步骤5)中的数据学习方式包括两个，具体如下：
[0027]数据学习方式一:在机床各个轴位于固定位置时，设装配结合面为S，任取一点Po GS，其坐标为（xo，yo，zo); WPo为圆屯、，Wr为半径在结合面S上作圆，将包含在该圆域内的 点Pi的变形量取加权算数平均，将该加权算数平均值作为Po点的变形量So，其中加权算数平 均值的权值P为Pi与Po距离的倒数，Pi的变形量存在于Ansys Workbench容器的结果文件中， Pi的坐标为(Xi，yi，Zi)，i = 1~t，t为该圆域内所有点的总个数;其中So和P的计算公式如下；
[002引
[0029]
[0030]
[0031] 式中，di是点Pi与点Po的距离，S功Pi的变形量；
[0032] 数据学习方式二:设正交化的加工空间点的总个数为n，当机床各个轴位于加工空 间点k对应的位置时，k=l~n，P〇通过数据学习方式一得到的变形量为《，将机床各个轴位 于n个加工空间点时Po得到的所有变形量取平均，作为Po在整个加工空间中的变形量《；其 中《通讨下井A傳.
[0033]
[0034] 所述步骤5)中装配结合面的设计具体为：
[0035] a)定义空间平面Fn为装配名义结合面，Fn的边界由初始的实际装配结合面的几何 参数确走，Fn由网格化的散点Pij (Pijx, Pijy ,Pijz)组成；
[0036] b)定义面Fd为设计的结合面，Fd由点兮(馬，与；.，巧;)组成，由W下公式得到：
[0037]
[00；3 引
[0039]
[0040] 其中SxA、Sz分别为Pi姻过数据学习方式二获得的其在x、y、z^个方向的变形量， Fd即为装配结合面设计的结果。
[0041 ]所述步骤6)中装配结合面轮廓度公差设计具体为：
[0042] 设结合面Fd允许的最大角度偏差为摄，需要设计的结合面轮廓度公差为T，设m为[- 1，1]之间的随机数，利用W下公式可W生成满足结合面轮廓度公差T要求的结合面Fd'，设 Fd '上的点为6.(马,，与,，尽），A的计算公式如下：
[0043]
[0044]
[0045]
[0046] 然后利用最小二乘法拟合得到结合面Fd'的最小二乘平面，设该最小二乘平面的 法向量为次，则结合面Fd '导致的角度偏差为《 (CO X，《 y，《 Z)，《的计算公式如下：
[0047]
[004引
[0049]
[0050] 重复n次上述运算，得到n组结合面轮廓度公差对应的n组角度偏差，利用数据回归 方法得到结合面轮廓度公差T与角度偏差CO之间的映射关系，通过该映射关系，在给定角度 偏差为&时对应的结合面轮廓度公差即为设计出的装配结合面轮廓度公差。
[0051] 相对于现有技术，本发明的有益效果为：
[0052] 本发明提出的W抵消变形误差为目标的机床装配结合面设计方法，通过简化不影 响分析结果的机床结构，减少了有限元分析计算量;同时，基于参数化装配方法，联合Ansys Workbench软件构建了Ansys Wor化ench自动化求解与保存容器，极大的提高了分析效率； 并且在构建两种数据学习方式的基础上，实现了机床=维装配结合面的科学定量化的反变 形设计，避免了任意=维曲面函数表达的困境;通过对整个加工空间变形的装配结合面轮 廓及其轮廓度公差设计，降低了制造难度，保证了工艺可行性。本发明通过基于数据学习方 式来设计机床装配结合面，摆脱了=维变形曲面函数表达的难题，同时效果良好，主变形方 向变形误差降低率达到了 95.3%。
【附图说明】
[0053] 图1为某型号精密邸式坐标僮床，其中左边为实物图，右边为机床结构简图；
[0054] 图2为参数化装配示意图，其中（a)、（b)、（c)分别为X、Y、Z方向装配距离参数化示 意图；
[0055] 图3为装配结合面选择图；
[0056] 图4为Ansys Workbench自动分析与提取数据容器的截图；
[0057] 图5为主动设计的床身立柱结合面的设计结果图；
[0058] 图6为无抗变形设计实际变形云图；
[0059] 图7为有抗变形设计时实际变形云图；
[0060] 其中：1为立柱，2为滑鞍，3为主轴箱，4为工作台，5为托板，6为床身，7为X轴，8为X 轴距离参数化，9为Y轴，10为Y轴距离参数化，11为Z轴，12为Z轴距离参数化，13为滑鞍主轴 箱结合面，14为工件工作台结合面，15为立柱滑鞍结合面，16为床身立柱结合面，17为床身 工作台结合面。
【具体实施方式】
[0061] W某型精密坐标僮床的床身立柱结合面主动设计为例，结合附图对本发明进行详 细说明。
[0062] 一、Ansys Workbench自动分析与提取加工空间变形
[0063] (1)机床结构简化
[0064] 1)删除零件中小尺寸(尺寸<20mm)的圆角和倒角；
[0065] 2)删除安装螺栓孔、螺钉孔、注油孔等不影响分析计算的小特征；
[0066] 3)传动系统简化:去掉大框架结构内部的齿轮，满轮蜗杆等传动机构。在整机分析 中只保留外壳体、主轴和传动轴=个零件，通过更改其材料密度属性来等效原始结构的质 量特征。删除所有电机模型，在分析模型中W质量点等效代替；
[0067] 4)将丝杠用圆柱模型代替；
[0068] 5)由于网格划分中最小网格尺寸的限制，删除或修改尺寸过小（<20mm)的凸台或 凹槽特征；
[0069] 机床实际模型如图1(a)所示，简化完成之后的该机床如图1(b)所示。
[0070] (2)机床参数化装配
[0071] 在CAD软件中装配机床零件时，为了能实现上述自动提取加工空间变形要求，对滑 鞍左侧到立柱左侧的距离（图2(a))、主轴箱下侧到滑鞍下侧的距离（图2(b))、托板前侧到 立柱前侧的距离（图2(c))进行了参数化处理。
[0072] (3)正交化加工空间
[0073] 选择参数化的装配位置、切削力、装夹工件重量作为正交设计因素，根据机床实际 可能情况，在ANSYS Woricbench中设置好运些因素的上下限，利用Ansys Woricbench的自动 正交化功能，完成正交试验点的设计。
[0074] 将机床的X、Y、Z轴位置，切削力，工件重量作为正交试验的因素，其取值的范围如 表1所示。
[0075] 表1正交试验因素取值范围 「m7Al
[0078] (4)Ansys Workbench自动分析与提取变形数据
[00巧]1)将参数化装配处理的CAD文件直接通过Ansys Wor化ench的Geomet巧模块导入 到Ansys Wor化ench容器中。通过布尔运算将相关零件合并，可W减少模型中零件数量，减 少结合面的设置，降低有限元计算量。在Ansys Wor化ench材料参数库中，选择和建立分析 模型中需要的材料参数。在本实施例中，结合面主要分为两类，一类是螺栓连接或贴塑面粘 接的固定结合面，一类是导轨连接的滑动结合面。分析中将螺栓连接和贴塑面粘接的固定 连接结合面设置为Bonded(粘接），而导轨连接的滑动结合面设置为No S巧aration(滑动不 分离）。
[0080] 2)网格划分
[0081] 由于机床整机模型几何尺寸较大，零部件数量较多且结构复杂，可W设置网格尺 寸为50mm，在结构复杂和主轴端部等重点关屯、区域进行网格细化。
[0082] 3)边界条件施加
[0083] 在Ansys Workbench软件中设置静刚度分析边界条件，包括:重力、切削力、地脚螺 栓固定约束等。进行静力结构分析，选择如图3所示的装配结合面，将运些结合面的分析结 果进行保存。
[0084] 上述设置完成之后，便搭建完成结合面在整个加工空间的变形量自动求解与保存 容器(Ansys Wor化ench容器）。如图4所示。
[0085] 二、基于数据学习的装配结合面设计
[0086] (I)数据学习方式定义
[0087] 1)定义学习方式一:在机床各个轴位于固定位置时，设装配结合面为S，任取一点 PoGS,其坐标为(xo，yo，zo); WPo为圆屯、，Wr为半径在结合面S上作圆；将包含在该圆域内的 点PiQ = I~t，t为该圆域内所有点的总个数）的变形量取加权算数平均;将该加权算数平 均值作为Po点的变形量，其中加权算数平均值的权值为Pi与Po距离的倒数，Pi的变形量存在 于Ansys Worlcbench容器的结果文件中，Pi的坐标为(Xi,yi,Zi)。
[0088；
[0089；
[0090；
[0091] 式中，di是点Pi与点Po的距离。So为Po的变形量，S功Pi的变形量
[0092] 2)定义学习方式二:设加工空间正交化产生的正交实验点总个数为n，Po通过学习 方式一去学习正交试验点k化=1~n)的变形数据获得变形量或，将运n个正交试验点通过 学习得到的变形量取平均作为点Po在整个加工空间中的变形量爲。其中《为当机床各个轴 位于正交试验点k对应的位置时由学习方式一得到的Po的变形量So
[0093]
[0094] =、装配结合面设计
[0095] 1)定义空间平面Fn为装配名义结合面，Fn的边界由初始的实际装配结合面的几何 参数确走，由网格化的散点Pij (Pijx ,Pijy ,Pijz )组成。
[0096] 2)定义面Fa为变形后的实际结合面，Fa由点p/u(p/化，p/uy，p/Uz)组成，由W 下公式得到：
[0097] ijx = Pijx+5x
[009引 P' ijy = Pijy+Sy
[0099] P'ijz = Pijz+Sz
[0100] SxA、Sz分别为Pi姻过学习方式二获得的x、y、zS个方向的变形量。
[0101] 則定义面Fd为设计的结合面，F油点《巧;，磅，请烟成，砖由W下公式得到：
[0102]
[0103]
[0104]
[0105] 将Fd作为装配结合面设计的结果。所设计的Fd可W减弱甚至抵消装加工空间的变 形误差，预期可W提高机床12%的机床加工精度。
[0106] 采用本文提出的上述装配结合面设计方法，考虑整个加工空间受载变形，通过学 习方式二的变形数据获取W及公式进行设计，得到图5的设计结果。
[0107] 四、装配结合面轮廓度公差设计
[0108] 轮廓度公差设计方法:设结合面Fd允许的最大角度偏差为窃，需要设计的结合面轮 廓度公差为T，设m为[-1,1]之间的随机数。利用W下公式可W生成满足公差T要求的结合面
Fd'，设Fd'上的点为巧(44,，皆）。
[0109]
[0110]
[0111]
[0112] 利用最小二乘法拟合得到Fd'的最小二乘平面，设该最小二乘平面的法向量为巧， 那么Fd'骨敌的#1度偏差《 ( "X，Uy, ?z)为：
[0113]
[0114]
[0115]
[0116] 设有n次蒙特卡洛运算，即有n组轮廓度公差导致的n组角度偏差。利用数据回归方 法可W得到轮廓度公差T与角度偏差CO之间的映射关系。在给定角度偏差窃之后，即可完成 轮廓度公差的设计。
[0117] 具体的，利用本发明提出的结合面轮廓度公差设计方法，利用线性回归方法，采用 matlab进行数值计算，将最大角度偏差为窃设定为lXl(T7rad，得到结合面轮廓度公差T为 0.010mm。
[0118] 为了验证设计效果及本方法的有效性，在参数化装配位置取1100,850,1130(xo/ yo/zo)时，将本设计结果再次用Ansys Woricbench进行计算，并对比有无结合面抗变形设计 时，床身立柱结合面导致的角度偏差W及平面度，如表2所示。
[0119] 表2床身立柱结合面变形角度偏差 E。J OO1
[0121] 从表2中可W发现，采用本方法(有抗变形设计)后角度偏差大大减小到可W忽略 不计的程度，在主变形Y方向上，角度偏差降低了 95.3%，同时结合面的平面度也变得更好。
[0122] 将Ansys Wor化ench计算的床身立柱结合面变形结果数据用matlab显示出来，可 W明显的发现无抗变形设计时，如图6所示，结合面变形量数量级在1(T6,有抗变形设计之 后，如图7所示，数量级降低到1(T7,抗变形效果十分显著。
【主权项】
1. 一种以抵消变形误差为目标的机床装配结合面设计方法，其特征在于，包括以下步 骤： 1) 在CAD软件中根据静力学分析要求和机床结构特点进行机床实体模型简化； 2) 在CAD软件中参数化装配机床实体模型，得到参数化的装配体模型； 3) 利用Ansys Workbench软件将机床加工空间正交化，得到正交化的加工空间点； 4) 将参数化的装配体模型和正交化的加工空间点导入到Ansys Workbench容器中； 5) 基于Ansys Workbench容器中得到的加工空间变形数据，利用数据学习方式，完成装 配结合面的设计； 6) 基于蒙特卡洛方法以及最小二乘法，联合数据回归方法，完成装配结合面轮廓度公 差设计。2. 根据权利要求1所述的以抵消变形误差为目标的机床装配结合面设计方法，其特征 在于，所述步骤1)中机床实体模型简化包括以下步骤： (1) 删除尺寸〈20_的圆角和倒角； (2) 删除不影响分析计算的特征，包括螺钉孔、螺栓孔和注油孔； (3) 传动系统简化，包括:减速箱内部使用等效质量代替进行结构简化，丝杠结构使用 简单圆柱代替； (4) 主轴结构简化，进行整机分析时，主轴作为整体结构考虑，使用等效实体模型和等 效质量代替主轴； (5) 运用质量点代替对整机结构刚性不产生影响的辅助结构，包括驱动电机和配重； (6) 为保证单元质量，删除或修改模型中尺寸<20mm的平面特征； (7) 当零件数量较多时，对材料相同的螺栓连接部件进行合并； (8) 修改调整垫片模型尺寸，保证各零部件的准确装配。3. 根据权利要求1所述的以抵消变形误差为目标的机床装配结合面设计方法，其特征 在于，所述步骤2)中的参数化装配是指对于会随着机床运动轴位置改变而发生位置改变的 机床大件，参数化其装配位置，对于不随着机床运动轴位置改变的其他零部件，不参数化其 装配位置;其中会随着机床运动轴位置改变而发生位置改变的机床大件包括滑鞍、主轴箱、 工作台和托板。4. 根据权利要求1所述的以抵消变形误差为目标的机床装配结合面设计方法，其特征 在于，所述步骤3)中将机床加工空间正交化是指选择机床各个轴的行程、切削力、装夹工件 重量作为正交试验因素，根据机床常用加工的行程范围、切削力范围、常加工工件重量，在 Ansys Workbench中设置上述因素的上下限，利用Ansys Workbench的自动正交化功能，完 成正交试验点的设计，得到正交化的加工空间点。5. 根据权利要求1所述的以抵消变形误差为目标的机床装配结合面设计方法，其特征 在于，所述步骤4)具体为：将参数化的装配体模型和正交化的加工空间点导入Ansys Workbench容器中，并进行接触设定、网格划分和材料参数设定，其中对于机床整机结构，网 格划分的单元尺寸为1〇_至100mm之间，并在结构复杂、受力状况复杂以及关心的危险点处 进行网格细化。6. 根据权利要求1所述的以抵消变形误差为目标的机床装配结合面设计方法，其特征 在于，所述步骤5)中的数据学习方式包括两个，具体如下： 数据学习方式一:在机床各个轴位于固定位置时，设装配结合面为s，任取一点P〇 e S，其 坐标为(χ()，y()，z());以P()为圆心，以r为半径在结合面S上作圆，将包含在该圆域内的点Pi的变 形量取加权算数平均，将该加权算数平均值作为P〇点的变形量知，其中加权算数平均值的权 值P为Pi与P〇距离的倒数，Pi的变形量存在于Ansys Workbench容器的结果文件中，Pi的坐标 为(Xi，yi，zi)，i = l~t，t为该圆域内所有点的总个数;其中δ〇和p的计算公式如下：式中，di是点Pi与点Ρο的距尚，δ?为Pi的变形量； 数据学习方式二:设正交化的加工空间点的总个数为n，当机床各个轴位于加工空间点 k对应的位置时，k = l~n，PQ通过数据学习方式一得到的变形量为被，将机床各个轴位于η 个加工空间点时Ρο得到的所有变形量取平均，作为Ρο在整个加工空间中的变形量名;其中< 通过下式计算：7. 根据权利要求6所述的以抵消变形误差为目标的机床装配结合面设计方法，其特征 在于，所述步骤5)中装配结合面的设计具体为： a) 定义空间平面Fn为装配名义结合面，边界由初始的实际装配结合面的几何参数 确定，Fd网格化的散点组成； b) 定义面Fd为设计的结合面，Fd由点4(在_,尽.，/1)组成，蹲由以下公式得到：其中δχ、δγ、δζ分别为P^i过数据学习方式二获得的其在x、y、 z三个方向的变形量，Fd即 为装配结合面设计的结果。8. 根据权利要求7所述的以抵消变形误差为目标的机床装配结合面设计方法，其特征 在于，所述步骤6)中装配结合面轮廓度公差设计具体为： 设结合面Fd允许的最大角度偏差为65,需要设计的结合面轮廓度公差为T，设m为[_1，1] 之间的随机数，利用以下公式可以生成满足结合面轮廓度公差T要求的结合面Fd'，设Fd'上 的点为与(H4) 4的计算公式如下：然后利用最小二乘法拟合得到结合面Fd'的最小二乘平面，设该最小二乘平面的法向量 为# ,则结合面Fd '导致的角度偏差为ω(ωχ，ωγ，ωζ)，ω的计算公式如下：重复η次上述运算，得到η组结合面轮廓度公差对应的η组角度偏差，利用数据回归方法 得到结合面轮廓度公差Τ与角度偏差ω之间的映射关系，通过该映射关系，在给定角度偏差 为65时对应的结合面轮廓度公差即为设计出的装配结合面轮廓度公差。
【文档编号】G06F17/50GK105956303SQ201610307344
【公开日】2016年9月21日
【申请日】2016年5月10日
【发明人】刘志刚, 洪军, 刘鹏, 郭俊康, 赵强强, 陈以磊, 荆冲, 周强
【申请人】西安交通大学