一种重型数控机床精度可靠性分析方法技术

本发明专利技术属于数控机床可靠性领域，具体涉及一种基于多体系统运动学理论的重型数控机床精度可靠性分析方法。实现过程如下：通过建立重型数控机床的输出精度误差与影响机床精度的因素之间的关系模型，采用随机过程来拟合影响机床精度的因素随时间的变化关系，最终融合现场数据或同类样本的数据，引入贝叶斯评估方法，对重型数控机床的精度误差模型进行更新，实现机床精度可靠性的评估。本发明专利技术的有益效果在于：引入贝叶斯评估方法对各个造成机床运动精度误差的因素随时间的变化趋势进行拟合及修正，克服了“样本小”，即无法形成足够的统计样本的难题，对重型数控机床精度误差的动态可靠性做出了更加科学、合理的评估。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于数控机床可靠性领域，具体涉及一种基于多体系统运动学理论的重型 数控机床精度可靠性分析方法。
技术介绍
随着现代工业的不断发展，数控机床经历了多次更新换代，其性能和技术水平都 在迅速发展。特别是近些年来，随着信息技术、电子技术、机械技术等相关学科的发展，数控 机床的速度、精度和控制轴数等许多性能指标都有所提高，然而机床可靠性问题成为困扰 数控装备发展的主要问题之一。 重型数控机床的发展水平往往能够体现一个国家的工业发展水平。我国自主研发 的某型号重型数控机床为数控型方滑枕移动式落地铣镗床，主轴卧式布置，机床数控坐标 为X、Y、Z、W、V、B、U轴，可实现任意四轴联动。X轴为立柱移动，Y轴为主轴箱移动，Z轴为 镗轴移动，W轴为滑枕移动，V、B分别为回转工作台的直线移动及回转运动，U轴为平旋刀 架移动，其几何模型图如图2所示。重型数控机床是机械制造业的重要制造装备，具有批量 少、使用寿命长、维修成本高的特点，且重型数控机床的机构运动可靠性主要受关键结构件 自重、零部件制造的尺寸误差、机构动力源驱动误差、机构变形及磨损的影响，一旦加工中 出现问题将造成非常严重的损失，在实际生产中，重型数控机床性能下降最直接的表现就 是加工精度的下降，因此，科学地预测重型数控机床的精度可靠性，保证其在服役期间的加 工精度具有十分重要的意义。 重型数控机床的精度可靠型分析和普通机床的精度可靠性分析区别很大，由于重 型数控机床具有自重大、运动副承受的载荷大及加工行程长等特点，重型数控机床在工作 过程中的精度更容易受到由于机床部件的受载变形、受热变形、部件的制造装配误差及磨 损等因素的影响，最终导致重型数控机床的加工精度降低的速率比普通机床快得多，因此 针对重型数控机床的可靠性分析，需要在现阶段发展较成熟的普通机床的精度可靠性分析 方法的基础上，结合重型数控机床的自身结构特点以及工作环境的特殊性，最终建立一个 更为精确、合理的重型数控机床的精度误差模型。近十多年来，国内外很多学者已在该领域 做了大量工作，取得了不少的创造性成果。纵观国内外的研究，它们有着共同的特点，即：通 常把各种误差因素作为各种相关变量的微小量，利用机构运行分析方法，通过适当的参数 变量处理，推导出机床输出刀具位姿误差模型。例如，多体系统运动学理论在分析计算机床 的加工精度误差时得到了广泛的应用。 机构运动精度的要求从本质上说是一种性能指标，当其不能满足要求时，机构同 样处于一种失效状态。如机床的主轴传动机构和刀具进给机构，由于过度的磨损和间隙等 因素，其静态和动态误差已超出允许值，导致机床无法加工出技术指标中规定的精度等级 的工件。此时，机床虽能工作，但丧失了规定功能，同样处于故障状态，需修理或报废。重型 数控机床精度可靠性下降，导致加工的产品不符合规格造成的损失是十分巨大的，因此，建 立更加合理的重型数控机床精度误差模型，科学地预测重型数控机床在工作时的精度可靠 性具有十分重要的工程意义。
技术实现思路
本专利技术的目的是根据重型数控机床区别于普通数控机床的结构特点及特殊的工 作环境，改进现有的可靠性分析方法的不足之处，在考虑运动部件的磨损情况下，提出一种 基于多体系统运动学理论的重型数控机床精度可靠性分析方法，此方法的创新之处在于能 使用随机过程对磨损退化过程进行了拟合，建立了随机的磨损退化模型，而后采用贝叶斯 方法，融入每一次最新获得的磨损退化数据，完成磨损退化模型中参数的实时更新，既能使 所有数据被充分利用，也能使建立的模型更加科学、合理。 为了实现上述目的，本专利技术的技术方案是：提出一种基于多体系统运动学理论的 重型数控机床精度可靠性分析方法，主要流程图如图1所示，包括如下步骤： 步骤1 :根据重型数控机床的结构特征，在考虑核心部件上运动副磨损的情况下， 采用多体系统运动学理论，建立重型数控机床的精度误差模型； 步骤2:对核心部件上的运动副的磨损退化数据进行分阶段数据采集，得到使用 阶段不同时间机床各个部件的磨损退化数据； 步骤3:采用合理的随机过程对机床各部件的磨损退化过程进行建模，如Wiener 过程和Ga_a过程，使用早期阶段采集的磨损退化数据，或同类产品的磨损退化数据，对磨 损退化模型中的参数进行极大似然估计，得到磨损退化模型中参数的估计值； 步骤4:利用最新采集的重型数控机床各部件的磨损退化数据，采用贝叶斯方法， 对步骤3中得到的磨损退化模型中的参数值进行更新，步骤3中得到的磨损退化模型参数 的极大似然估计值可以作为先验分布的均值，而先验分布类型的确定可以根据专家经验或 者现场数据来确定，通过对磨损退化模型参数的更新，实现了对机床各部件磨损退化过程 的实时更新； 步骤5:将步骤4所得的机床各部件的磨损退化过程代入步骤1所得的重型数控 机床的精度误差模型进行分析计算，得到可实时更新的重型数控机床的加工精度误差模 型； 步骤6:结合实际工程要求，确定重型数控机床加工精度失效阈值，并根据步骤5 所得到的能够进行实时更新的重型数控机床精度误差模型，计算分析得到重型数控机床精 度误差的可靠度。 为了计算重型数控机床精度误差的可靠性，需要确定加工精度误差的失效阈值， 根据不同的工程需求，可能会有不同的失效阈值，如失效阈值可能为定值或者服从一个确 定的分布。本专利技术的另一创新之处在于：工程中实际的精度误差往往服从正态分布，将重型 数控机床实际加工精度误差分布与加工精度的失效阈值分布转换为广义应力一强度干涉 模型，其可靠度可以表示为：U) 式中，R(t)为可靠度，示例中表示机床精度的可靠度，和时间相关，随着时间推移， 机床加工精度下降，机床精度的可靠度也随之下降，0 (t)为可靠性指标，为广义应 力均值，<(〇为广义应力标准差，表示机床实际加工精度误差均值和标准差，均和时间相 关，为广义强度均值，为广义强度标准差，表示加工精度误差的失效阈值分布的均值 和标准差。 本专利技术的有益效果在于：由于重型数控机床是机械制造业的重要基础装备，具有 批量少、使用寿命长、维修成本高的特点，一旦加工中出现问题将造成很严重的损失。在实 际生产中，重型数控机床性能下降最直接的表现就是加工精度的下降，因此，科学地预测重 型数控机床的精度可靠性，保证其在服役期间的加工精度具有十分重要的意义。然而，由于 重型数控机床的数量较少，无法形成足够的统计样本，很难用统计学方法研究其可靠性，在 此，我们引入贝叶斯评估方法对各个造成机床运动精度误差的因素随时间的变化趋势进行 拟合及修正，克服了"样本小"，即无法形成足够的统计样本的难题，对重型数控机床精度误 差的动态可靠性做出了更加科学、合理的评估。【附图说明】 图1本专利技术的主流程图。 图2本专利技术一个实施例所针对重型数控机床结构示意图。 图3本专利技术的步骤1某型号重型数控机床广义拓扑结构示意图。 图4本专利技术的步骤1某型号重型数控机床主轴箱导轨磨损示意图。 图5本专利技术的步骤1某型号重型数控机床滑枕磨损示意图。 图6本专利技术的步骤1某型号重型数控机床镗轴轴承磨损示意图。图7本专利技术的步骤6某型号重型数控机床的精度可靠度随运行时间的变化。【具体实施方式】 现结合实施例、附图对本专利技术作进一步描述：一种基于多体系统运动学理论的重本文档来自技高网...

【技术保护点】
本专利技术属于数控机床可靠性领域，具体涉及一种基于多体系统运动学理论的重型数控机床精度可靠性分析方法，包括如下步骤：步骤1：根据重型数控机床的结构特征，在考虑核心部件上运动副磨损的情况下，采用多体系统运动学理论，建立重型数控机床的精度误差模型；步骤2：对核心部件上的运动副的磨损退化数据进行分阶段数据采集，得到使用阶段不同时间机床各个部件的磨损退化数据；步骤3：采用合理的随机过程对机床各部件的磨损退化过程进行建模，如Wiener过程和Gamma过程，使用早期阶段采集的磨损退化数据，或同类产品的磨损退化数据，对磨损退化模型中的参数进行极大似然估计，得到磨损退化模型中参数的估计值；步骤4：利用最新采集的重型数控机床各部件的磨损退化数据，采用贝叶斯方法，对步骤3中得到的磨损退化模型中的参数值进行更新，步骤3中得到的磨损退化模型参数的极大似然估计值可以作为先验分布的均值，而先验分布类型的确定可以根据专家经验或者现场数据来确定，通过对磨损退化模型参数的更新，实现了对机床各部件磨损退化过程的实时更新；步骤5：将步骤4所得的机床各部件的磨损退化过程代入步骤1所得的重型数控机床的精度误差模型进行分析计算，得到可实时更新的重型数控机床的加工精度误差模型；步骤6：结合实际工程要求，确定重型数控机床加工精度失效阈值，并根据步骤5所得到的能够进行实时更新的重型数控机床精度误差模型，计算分析得到重型数控机床精度误差的可靠度。...

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：游志毅，刘宇，燕晨耀，张志鹏，
申请(专利权)人：电子科技大学，
类型：发明
国别省市：四川;51