基于特征的機(jī)床精度優(yōu)化設(shè)計(jì)方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于機(jī)床加工技術(shù)領(lǐng)域，設(shè)及機(jī)床設(shè)計(jì)技術(shù)，尤其是一種能夠指導(dǎo)機(jī)床設(shè) 計(jì)者進(jìn)行精度設(shè)計(jì)的方法，具體為一種基于特征的機(jī)床精度優(yōu)化設(shè)計(jì)方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 機(jī)床精度參數(shù)是機(jī)床性能參數(shù)中重要的組成部分，很大程度上決定著所加工的產(chǎn) 品的質(zhì)量水平。隨著機(jī)械制造企業(yè)對機(jī)床性能需求的不斷提高，高速、高精機(jī)床的研究和開 發(fā)將成為未來發(fā)展的方向，而機(jī)床的精度設(shè)計(jì)與優(yōu)化等許多關(guān)鍵技術(shù)問題已經(jīng)成為制約我 國機(jī)床整體性能提升和機(jī)床產(chǎn)品開發(fā)的瓶頸。
[0003]目前在實(shí)際機(jī)床設(shè)計(jì)制造過程中，機(jī)床精度設(shè)計(jì)主要依據(jù)經(jīng)驗(yàn)和標(biāo)準(zhǔn)值，缺乏有 效的指導(dǎo)依據(jù)，不能全面了解機(jī)床用戶對機(jī)床的性能需求。而機(jī)床制造企業(yè)希望能夠W最 低的成本達(dá)到用戶的加工精度要求，避免盲目的提高裝配精度來滿足用戶需求，造成精度 浪費(fèi)和成本的提高。
[0004]目前針對機(jī)床精度設(shè)計(jì)已有相關(guān)研究與探索，并且取得了一定的進(jìn)展，參考文獻(xiàn)1 提出一種利用空間矢量鏈模型建立機(jī)床零部件精度與刀具體積誤差的映射關(guān)系，解決了Ξ 軸并聯(lián)機(jī)床在已知刀具最大體積誤差情況下，零部件制造公差的精度設(shè)計(jì);參考文獻(xiàn)2通過 層次分析法與實(shí)力推理技術(shù)獲得數(shù)控機(jī)床初始精度分配，并通過建立面向機(jī)床成本和可靠 性的機(jī)床精度的優(yōu)化模型，利用遺傳算法求取精度分配方案的化reto最優(yōu)解，完成對機(jī)床 精度分配。
[000引上述方法解決了在已知機(jī)床整體精度要求的情況下，機(jī)床零部件精度的分配問 題，但缺乏面向復(fù)雜零件加工精度的機(jī)床精度設(shè)計(jì)方法，不能直接針對零件加工要求進(jìn)行 機(jī)床精度設(shè)計(jì)。
[0006]參考文獻(xiàn)1:黃田，王洋.面向制造的并聯(lián)機(jī)床精度設(shè)計(jì)[J].中國機(jī)械工程，1999， 10(10):1114-1118.
[0007]參考文獻(xiàn)2:徐徐.高檔數(shù)控機(jī)床精度分配設(shè)計(jì)與優(yōu)化方法及應(yīng)用研究[D].浙江大 學(xué)，2013.

【發(fā)明內(nèi)容】

[0008]本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是:針對目前機(jī)床廠家在機(jī)床設(shè)計(jì)過程中依賴經(jīng)驗(yàn)和標(biāo) 準(zhǔn)或反復(fù)試驗(yàn)，周期長、工作量大等問題，提出了一種基于特征的機(jī)床精度優(yōu)化設(shè)計(jì)方法， 直接利用零件的加工特征精度要求進(jìn)行機(jī)床精度優(yōu)化設(shè)計(jì)。
[0009]本發(fā)明的技術(shù)方案為:基于特征的機(jī)床精度優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，直接利用零件特征的 加工精度要求來進(jìn)行機(jī)床精度優(yōu)化設(shè)計(jì)，首先依據(jù)零件加工特征得到的零件特征的加工策 略，結(jié)合零件特征的加工精度要求與機(jī)床結(jié)構(gòu)，建立零件特征的加工精度與機(jī)床精度的約 束關(guān)系，并利用成本信息建立優(yōu)化設(shè)計(jì)目標(biāo)函數(shù)，計(jì)算得到優(yōu)化的機(jī)床精度設(shè)計(jì)參考值，建 立機(jī)床精度優(yōu)化模型，完成機(jī)床精度優(yōu)化;其中建立零件特征的加工精度與機(jī)床精度的約 束關(guān)系時(shí)，先根據(jù)機(jī)床結(jié)構(gòu)構(gòu)建機(jī)床精度與刀具位姿誤差間的關(guān)系，然后根據(jù)零件特征的 加工策略與零件特征的加工精度要求構(gòu)建得到零件特征的加工精度要求與刀具位姿誤差 間的約束關(guān)系，最后W刀具位姿誤差為中間橋梁得到機(jī)床精度與零件特征加工精度要求間 的約束關(guān)系。
[0010] 所述根據(jù)機(jī)床結(jié)構(gòu)構(gòu)建機(jī)床精度與刀具位姿誤差間的關(guān)系具體為：
[0011] 分析機(jī)床結(jié)構(gòu)信息，得到機(jī)床的運(yùn)動(dòng)鏈，構(gòu)建出機(jī)床部件k和相鄰低等級機(jī)床部件 j之間的轉(zhuǎn)換矩陣壞，W及機(jī)床部件j相鄰低等級機(jī)床部件q之間的轉(zhuǎn)換矩陣F，即運(yùn)動(dòng)鏈 的轉(zhuǎn)換矩陣：
[0014] 打；、巧和片分別表示機(jī)床部件k相對于機(jī)床部件j的位置轉(zhuǎn)換矩陣、位置 誤差矩陣、運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換矩陣和運(yùn)動(dòng)誤差矩陣，^7；、妒和S馬g分別是機(jī)床部件j相對于機(jī) 床部件q的位置轉(zhuǎn)換矩陣、位置誤差矩陣、運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換矩陣和運(yùn)動(dòng)誤差矩陣;對于不相鄰的機(jī) 床部件時(shí)目對于機(jī)床部件9轉(zhuǎn)換矩陣貧，有打^=^；^^7'，其中位置誤差矩陣和運(yùn)動(dòng)誤差矩陣由 機(jī)床精度構(gòu)成；
[0015]根據(jù)得到的機(jī)床部件間的轉(zhuǎn)換矩陣計(jì)算機(jī)床加工時(shí)由機(jī)床誤差導(dǎo)致的刀具位姿 誤差，包括刀具位置誤差[Ex，Ey，Ez]和刀具姿態(tài)誤差[Ei，&，Ek]，并W此建立機(jī)床誤差與刀 具位姿誤差間的關(guān)系，即機(jī)床精度與刀具位姿誤差間的關(guān)系表達(dá)式如下：
[0018] 其中Rw和Rt分別是刀位點(diǎn)在工件和切削刀具的坐標(biāo)系下的位置坐標(biāo);Vw和Vt分別 是刀位點(diǎn)在工件和切削刀具的坐標(biāo)系下的姿態(tài)坐標(biāo)；Jr為工件到床身的轉(zhuǎn)換矩陣，·；7為 刀具到床身的轉(zhuǎn)換矩陣，根據(jù)運(yùn)動(dòng)鏈的轉(zhuǎn)換矩陣計(jì)算得到。
[0019]所述構(gòu)建得到零件特征的加工精度要求與刀具位姿誤差間的約束關(guān)系具體為：
[0020] 根據(jù)不同特征的不同加工策略，對應(yīng)構(gòu)建需加工特征的加工精度要求與刀具位姿 誤差間的約束關(guān)系：
[0021] 根據(jù)刀具位姿誤差與特征的加工精度要求之間的幾何關(guān)系，計(jì)算每個(gè)特征的加工 精度要求相對于刀具位姿誤差的函數(shù)關(guān)系Nm化x，Ey，Ez，Ei，Ej，Ek)，m=l...n，n由具體的特 征精度要求數(shù)目決定，對于特征的加工精度要求T，則形成W下約束：
[0022] Nm巧x，Ey，Ez，Ei，Ej，Ek)<T。
[0023] 所述機(jī)床精度與零件特征加工精度要求間的約束關(guān)系具體為：
[0024]根據(jù)得到不同特征的加工精度要求相對與刀具位姿誤差的約束關(guān)系，W及機(jī)床精 度與刀具位姿誤差間的關(guān)系，由此得到機(jī)床精度與零件特征加工精度要求間的約束關(guān)系， 并參考機(jī)床精度規(guī)范或經(jīng)驗(yàn)提供的設(shè)計(jì)值范圍[era,erb]構(gòu)建如下約束，r為機(jī)床精度幾何 誤差項(xiàng)數(shù)：
[0025]
[0026] 其中Xel，Xe2…Xer是機(jī)床精度的設(shè)計(jì)值。
[0027]所述利用成本信息建立優(yōu)化設(shè)計(jì)目標(biāo)函數(shù)具體為:采用機(jī)床精度成本函數(shù)作為優(yōu) 化目標(biāo)函數(shù)，首先選擇符合裝配誤差成本關(guān)系的幕指數(shù)的模型c(x)=a+b/x6作為機(jī)床精度 和成本之間的關(guān)系函數(shù)，其中X為機(jī)床某一項(xiàng)精度，a、b、e為機(jī)床精度模糊成本的系數(shù)，c(x) 為實(shí)現(xiàn)精度項(xiàng)X的裝配成本;其次，通過W下步驟確定模糊成本權(quán)重：
[0028] 1)W裝配調(diào)試時(shí)間表示模糊裝配成本，構(gòu)建機(jī)床相鄰體間的模糊裝配成本權(quán)重 Wp：
[0029]
[0030] Τρ及Tu分別表示第P對、第U對機(jī)床相鄰體之間的裝配調(diào)試耗時(shí)，Τρ和Tu由實(shí)際中統(tǒng) 計(jì)得到，S表示機(jī)床相鄰體的總對數(shù)；
[0031] 2)計(jì)算每項(xiàng)機(jī)床精度的模糊成本權(quán)重，設(shè)第P對相鄰體共產(chǎn)生si項(xiàng)機(jī)床精度，則運(yùn) si項(xiàng)機(jī)床精度的模糊成本權(quán)重分別為：
[0032]
[0033]其中，α。表示在第P對相鄰體中第0個(gè)誤差的成本權(quán)重系數(shù)，αι表示在第P對相鄰體 中任意一個(gè)誤差的成本權(quán)重系數(shù)，〇。，〇1由實(shí)際中統(tǒng)計(jì)得到；
[0034]最后形成機(jī)床精度成本關(guān)系優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)：
[0035]
[0036] 其中，Cost(x)為總的成本，C(xi)表示第I項(xiàng)機(jī)床精度的模糊成本;?為第I項(xiàng)機(jī)床 精度的分配值；
[0037]通過W上步驟W機(jī)床精度與特征加工精度間的約束為基礎(chǔ)，W數(shù)控機(jī)床各功能部 件之間的機(jī)床精度為設(shè)計(jì)變量，數(shù)控機(jī)床模糊精度成本最小為目標(biāo)，設(shè)計(jì)機(jī)床設(shè)計(jì)要求和 用戶加工要求為約束，完成基于特征的機(jī)床精度設(shè)計(jì)優(yōu)化模型的構(gòu)建。
[0038]本發(fā)明提供了一種基于特征的機(jī)床精度優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，直接利用零件的加工特征 精度進(jìn)行機(jī)床精度優(yōu)化設(shè)計(jì)，解決了機(jī)床設(shè)計(jì)人員在機(jī)床設(shè)計(jì)過程中依賴經(jīng)驗(yàn)和標(biāo)準(zhǔn)或反 復(fù)試驗(yàn)導(dǎo)致的周期長、