機(jī)床熱誤差精度轉(zhuǎn)化和模型建立方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及機(jī)床熱誤差建模方法，特別是一種機(jī)床熱誤差精度轉(zhuǎn)化和模型建立方 法。
【背景技術(shù)】
[0002] 近年來(lái)，隨著我國(guó)制造業(yè)的迅猛發(fā)展，對(duì)高檔數(shù)控機(jī)床的加工性能、綜合精度水平 的要求也越來(lái)越高。研究表明，在精密及超精密數(shù)控機(jī)床的加工中，由熱效應(yīng)引起的機(jī)床誤 差一般占到綜合誤差的40% -70%左右。因此，如何獲得機(jī)床熱誤差并建立熱誤差模型進(jìn) 而獲得機(jī)床末端精度數(shù)據(jù)，是提高機(jī)床精度的關(guān)鍵問(wèn)題之一。目前，建立熱誤差模型通常采 用的方法有：多元線性回歸分析模型、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型、支持向量機(jī)模型和灰色模型等； 這些模型都能達(dá)到一定的精度，但這些模型都有一個(gè)共同點(diǎn)，就是以實(shí)驗(yàn)法為基礎(chǔ)。然而， 實(shí)驗(yàn)法通常需要花費(fèi)大量的時(shí)間與金錢(qián)，而且受實(shí)驗(yàn)條件限制，往往還難以獲得全面的熱 誤差信息；同時(shí)也使得設(shè)計(jì)具有滯后性，不能在設(shè)計(jì)階段就能控制機(jī)床末端的精度。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003] 本發(fā)明為解決公知技術(shù)中存在的技術(shù)問(wèn)題而提供一種機(jī)床熱誤差精度轉(zhuǎn)化和模 型建立方法。
[0004] 本發(fā)明為解決公知技術(shù)中存在的技術(shù)問(wèn)題所采取的技術(shù)方案是：
[0005] -種機(jī)床熱誤差精度轉(zhuǎn)化和模型建立方法，包括如下步驟：
[0006] 步驟一：建立機(jī)床CAD模型并簡(jiǎn)化模型；
[0007] 步驟二：對(duì)簡(jiǎn)化后的機(jī)床CAD模型進(jìn)行CAE熱分析；
[0008] 步驟三：通過(guò)CAE熱分析后處理模塊提取各運(yùn)動(dòng)軸單元熱變形值，并轉(zhuǎn)化為單元 基本幾何誤差；
[0009] 步驟四：基于單元基本幾何誤差，建立機(jī)床工作空間熱誤差模型。
[0010] 進(jìn)一步地，所述步驟一中，采用Creo軟件，去掉機(jī)床CAD模型中對(duì)分析結(jié)果無(wú)影響 的細(xì)節(jié)特征來(lái)簡(jiǎn)化CAD模型。
[0011] 進(jìn)一步地，所述步驟二中，采用ANSYS軟件讀取由CAD模型生成的X-T中間文件， 生成有限元模型并對(duì)其進(jìn)行機(jī)床結(jié)構(gòu)熱分析，其中，機(jī)床中的熱源和散熱條件分別通過(guò)對(duì) 應(yīng)的生熱模型和散熱模型轉(zhuǎn)化為熱流密度和對(duì)流換熱系數(shù)值，并以熱載荷的形式加載到有 限元模型上。
[0012] 進(jìn)一步地，所述步驟三中，通過(guò)CAE熱分析后處理模塊提取各運(yùn)動(dòng)軸單元熱變形 值的具體步驟為：
[0013] 步驟3-1 :分別以設(shè)置在機(jī)床上的每一對(duì)導(dǎo)軌中的每一條軌的頂面任一軸向側(cè)邊 為提取路徑；
[0014] 步驟3-2 :在每一條導(dǎo)軌頂面的兩側(cè)邊選取η個(gè)節(jié)點(diǎn)的變形量作為提取目標(biāo)，提取 所有平動(dòng)軸的X、Υ、Ζ軸向的熱變形值。
[0015] 所述步驟三中，所述運(yùn)動(dòng)軸單元包括機(jī)床X、Y、Z軸向的三對(duì)平動(dòng)軸導(dǎo)軌。
[0016] 所述步驟三中，所述單元基本幾何誤差包括相應(yīng)軸的X、Y、Z軸的直線度誤差、偏 擺誤差、滾擺誤差和顛擺誤差。
[0017] 所述步驟三中，通過(guò)MATLAB軟件將X、Y、Z軸的熱變形值轉(zhuǎn)化為單元基本幾何誤 差。
[0018] 所述步驟三中，將X軸的熱變形值轉(zhuǎn)化為單元基本幾何誤差的具體步驟為：
[0019] 設(shè)：
[0020] X= [X!，x2,x3,x4…xn]
[0021 ] UUY= [uuy!,uuy2,uuy3,uuy4---uuyn]
[0022] UUZ= [uuz1;uuz2,uuz3,uuz4***uuzn] (1)
[0023] DUY= [duy!，duy2,duy3,duy^··duyn]
[0024] DUZ= [duz"duz2,duz3,duz4…duzn]
[0025] 式中：
[0026] X為所取X軸導(dǎo)軌上點(diǎn)的橫坐標(biāo)矩陣；
[0027]UUY為X軸方向一對(duì)導(dǎo)軌中的一條導(dǎo)軌上所取點(diǎn)對(duì)應(yīng)的Y軸方向位移值矩陣；
[0028] UUZ為X軸方向一對(duì)導(dǎo)軌中的一條導(dǎo)軌上所取點(diǎn)對(duì)應(yīng)的Z軸方向位移值矩陣；
[0029] DUY為X軸方向一對(duì)導(dǎo)軌中的另一條導(dǎo)軌上所取點(diǎn)對(duì)應(yīng)的Y軸方向位移值矩陣；
[0030] DUZ為X軸方向一對(duì)導(dǎo)軌中的另一條導(dǎo)軌上所取點(diǎn)對(duì)應(yīng)的Z軸方向位移值矩陣； 則溜板位于中間位置時(shí)X軸方向平動(dòng)軸導(dǎo)軌的位移值為
[0033] 式中，UY為溜板所處位置的X軸方向平動(dòng)軸導(dǎo)軌的Y軸方向位移值矩陣；
[0034] UZ為溜板所處位置的X軸方向平動(dòng)軸導(dǎo)軌的Z軸方向位移值矩陣；
[0035] 1)兩點(diǎn)法求Y、Z軸方向直線度：
[0036] 設(shè)理想直線為：
[0037]y=k*x+b (3)
[0038] 則：
[0040] 已知點(diǎn)（Xl，uyi)到理想直線的距離為h為：
[0042] Y直線度為：
[0043] Ay=hnax-hnin (6)
[0044] 式中，h_為已知點(diǎn)（xuUyi)到理想直線距離的最大值；
[0045] 11_為已知點(diǎn)（XUyi)到理想直線距離的最小值；
[0046] 2)滾擺誤差為：
[0048] 式中，1^為X軸方向一對(duì)導(dǎo)軌間Y軸方向距離；
[0049] uuZnndSX軸方向一對(duì)導(dǎo)軌中的一條導(dǎo)軌中點(diǎn)的Z軸方向位移值；
[0050] duZnndSX軸方向一對(duì)導(dǎo)軌中的另一條導(dǎo)軌中點(diǎn)的Z軸方向位移值；
[0051] 3)顛擺誤差為：
[0053] 式中，WXSX軸方向一對(duì)導(dǎo)軌的兩滑塊間X軸方向距離；
[0054] uzlrft為X軸方向?qū)к壸蠡瑝K處的Z軸方向位移值；
[0055] uz"gh#X軸方向?qū)к売一瑝K處的Z軸方向位移值；
[0056] 4)偏擺誤差為：
[0058] 式中，WXSX軸方向?qū)к墐苫瑝K間X軸方向距離；
[0059] uuylrft為X軸方向一對(duì)導(dǎo)軌中的一條導(dǎo)軌的左滑塊處的Y軸方向位移值；
[0060] duylef#X軸方向一對(duì)導(dǎo)軌中的另一條導(dǎo)軌的左滑塊處的Y軸方向位移值；
[0061] uuy"gh#X軸方向一對(duì)導(dǎo)軌中的一條導(dǎo)軌的右滑塊處的Y軸方向位移值；
[0062] duy"ghtSX軸方向一對(duì)導(dǎo)軌中的另一條導(dǎo)軌的右滑塊處的Y軸方向位移值；
[0063] 5)X、Z軸垂直度誤差為：
[0065] 式中，乙為X軸方向一對(duì)導(dǎo)軌間Y軸方向距離；
[0066] 匕為Z軸方向?qū)к壍拈L(zhǎng)度；
[0067]uZnildSX軸方向?qū)к壷悬c(diǎn)處的Z軸方向位移值；
[0068] 117|^為Z軸方向?qū)к壷悬c(diǎn)處的Y軸方向位移值。
[0069] 所述步驟四中，利用多體理論，建立機(jī)床結(jié)構(gòu)導(dǎo)軌位置處的熱變形誤差和機(jī)床工 作空間內(nèi)刀具-工件相對(duì)位姿誤差的映射關(guān)系，從而建立機(jī)床工作空間熱誤差模型。
[0070] 進(jìn)一步地，建立機(jī)床工作空間熱誤差模型的具體步驟為：
[0071] 步驟4-1 :根據(jù)機(jī)床的實(shí)際結(jié)構(gòu)得出機(jī)床的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖；
[0072] 步驟4-2:根據(jù)低序體序列描述方法和機(jī)床的約束得出機(jī)床的低序體陣列表；
[0073] 步驟4-3:根據(jù)平移運(yùn)動(dòng)特征矩陣和旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)特征矩陣的特性，得到機(jī)床各相鄰 體之間的理想特征矩陣和誤差特征矩陣；
[0074] 步驟4-4:根據(jù)理想成形函數(shù)和實(shí)際成形函數(shù)得出機(jī)床誤差。
[0075] 本發(fā)明具有的優(yōu)點(diǎn)和積極效果是：采用該方法設(shè)計(jì)人員在機(jī)床設(shè)計(jì)階段就能預(yù)知 機(jī)床熱變形、預(yù)測(cè)機(jī)床末端誤差和末端精度等，使得設(shè)計(jì)可靠性增加；此方法以CAE軟件為 基礎(chǔ)，能夠節(jié)省大量的時(shí)間與金錢(qián)，并且能夠提供全面的熱誤差信息。
【附圖說(shuō)明】
[0076] 圖1為本發(fā)明的方法流程框圖；
[0077] 圖2為臥式加工中心結(jié)構(gòu)示意圖；
[0078] 圖3為臥式加工中心的床身D1路徑變形圖；
[0079] 圖4為臥式加工中心的立柱D1路徑Y(jié)位移變形圖；
[0080] 圖5為臥式加工中心的立柱D1路徑Z位移變形圖；
[0081] 圖6為臥式加工中心的溜板D1路徑變形圖；
[0082] 圖7為臥式加工中心拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)；
[0083] 圖8為X向誤差曲線圖；
[0084] 圖9為Y向誤差曲線圖；
[0085] 圖10為Z向誤差曲線圖。
[0086] 圖2中：1、立柱；2、X軸導(dǎo)軌；3、溜板；4、Y軸導(dǎo)軌；5、主軸箱；6、主軸；7、工作臺(tái)； 8、滑座；9、Z軸導(dǎo)軌；10、床身。
【具體實(shí)施方式】
[0087] 為能進(jìn)一步了解本發(fā)明的
【發(fā)明內(nèi)容】
、特點(diǎn)及功效，茲例舉以下實(shí)施例，并配合附圖 詳細(xì)說(shuō)明如下：
[0088] 請(qǐng)參閱圖1，一種機(jī)床熱誤差精度轉(zhuǎn)化和模型建立方法，包括如下步驟：
[0089] 步驟一：建立機(jī)床CAD模型并簡(jiǎn)化模型；
[0090] 步驟二：對(duì)簡(jiǎn)化后的機(jī)床CAD模型進(jìn)行CAE熱分析；
[0091] 步驟三：通過(guò)CAE熱分析后處理模塊提取各運(yùn)動(dòng)軸單元熱變形值，并轉(zhuǎn)化為單元 基本幾何誤差；
[0092] 步驟四：基于單元基本幾何誤差，建立機(jī)床工作空間熱誤差模型。
[0093] 進(jìn)一步地，所述步驟一中，可采用Creo軟件，去掉機(jī)床CAD模型中對(duì)分析結(jié)果無(wú)影 響的細(xì)節(jié)特征來(lái)簡(jiǎn)化CAD模型。
[0094] 進(jìn)一步地，所述步驟二中，可采用ANSYS軟件讀取由CAD模型生成的X-T中間文 件，生成有限元模型并對(duì)其進(jìn)行機(jī)床結(jié)構(gòu)熱分析，其中，機(jī)床中的熱源和散熱條件可分別通 過(guò)對(duì)應(yīng)的生熱模型和散熱模型轉(zhuǎn)化為熱流密度和對(duì)流換熱系數(shù)值，并以熱載荷的形式加載 到有限元模型上。
[0095] 進(jìn)一步地，所述步驟三中，通過(guò)CAE熱分析后處理模塊提取各運(yùn)動(dòng)軸單元熱變形 值的具體步驟可為：
[00