当前位置: 首页 > 专利查询>天津大学专利>正文

基于区间理论的精密卧式加工中心几何精度优化分配方法组成比例

技术编号:16605676 阅读:33 留言:0更新日期:2017-11-22 15:31
本发明专利技术公开了一种基于区间理论的精密卧式加工中心几何精度优化分配方法,其包括以下步骤:(1)基于多体系统运动学理论,建立机床各几何误差和机床空间误差之间的映射模型;(2)基于区间理论,进行对各误差源进行灵敏度分析;(3)基于区间理论,建立区间优化分配模型;(4)基于遗传算法,运用MATLAB软件来求解从而实现几何精度优化分配。本发明专利技术使难于实现的误差源放松至最大的可行区间,大大降低了生产成本,提高了机床生产装配效率。

Optimal distribution method for geometric accuracy of precision horizontal machining centers based on interval theory

The invention discloses a method of optimal allocation of precision horizontal machining center geometric accuracy based on interval theory, which includes the following steps: (1) based on multi-body system theory, establish the mapping model between the machine tool geometric error and the error of machine tool space; (2) based on the interval analysis, carried out sensitivity analysis of various error sources; (3) based on the interval theory, an interval optimization model; (4) based on genetic algorithm, using MATLAB software to solve the geometric accuracy so as to realize the optimal allocation. The invention makes the error source which is difficult to realize relax to the maximum feasible range, greatly reduces the production cost and improves the assembly efficiency of the machine tool.

【技术实现步骤摘要】
基于区间理论的精密卧式加工中心几何精度优化分配方法
本专利技术涉及数控机床几何精度优化分配领域,尤其是一种基于区间理论的精密卧式加工中心几何精度优化分配方法。
技术介绍
精密数控机床是基础制造装备的工作母机,其设计和加工能力直接影响制造业的发展。高档数控机床质量的好坏,直接表现在机床的制造精度和装配精度,而机床精度设计和精度分配的优劣,对其质量好坏有着重大影响。对于机床精度分配问题,国内外学者进行了较为广泛和深入的探究,取得了一定的进展。主要有零部件公差加权欧式范数最大法、蒙特卡罗法、尺寸链法、基于公差—成本模型的精度分配方法等方法,这些方法大多针对并联机构,并且无法直接指导高档数控机床的制造装配过程。目前,国内的机床企业在进行精密数控机床精度设计和精度分配时,通常采用传统的类比、机床手册查询以及设计人员估算的方法,没有从根本上解决问题,设计的机床难免会过分依赖设计人员的经验,无法形成科学化、理论化、系统化的设计方法。精密数控机床待切削点到刀尖点的空间误差直接反映了机床的加工精度,而空间误差是通过各运动副几何误差耦合作用产生的。因此,如何在满足整机空间误差的前提下,合理、经济以及快速地优化分配几何误差是目前精密数控机床装配制造亟需解决的问题。
技术实现思路
本专利技术的目的在于解决上述技术问题而提供一种基于区间理论的精密卧式加工中心几何精度优化分配方法,其能够使难于实现的误差源放松至最大的可行区间。为了解决上述技术问题,本专利技术采用如下技术方案:一种基于区间理论的精密卧式加工中心几何精度优化分配方法,包括以下步骤:步骤(1):首先将数控机床看作由多个刚体串联而成的多体系统;其次使用多体系统运动学理论描述数控机床上各运动部件之间的拓扑关系;再次使用齐次坐标变换矩阵相乘表示数控机床上相邻部件连体坐标系之间的位姿转换关系;最后建立起数控机床各几何误差与机床空间误差之间的映射模型;步骤(2):基于区间理论,根据区间扩张因子定义灵敏度,并进行灵敏度分析以反映各误差源对整机空间误差的影响程度;步骤(3):以各误差源区间宽度为设计变量、整机空间体对角线误差为约束条件、各误差源灵敏度系数与区间宽度负二次方乘积的代数和为目标函数,建立区间优化分配模型;步骤(4):基于遗传算法,运用MATLAB软件来求解从而实现几何精度优化分配。本专利技术的有益效果是:本专利技术针对精密卧式加工中心提出了基于区间理论的几何精度优化分配方法,基于多体系统运动学理论建立机床几何误差的整机空间误差映射模型,基于区间理论进行灵敏度分析并建立区间优化分配模型,最后基于遗传算法运用MATLAB软件来求解从而实现几何精度优化分配,使难于实现的误差源放松至最大的可行区间,大大降低了生产成本,提高了机床生产装配效率。附图说明图1为本专利技术基于区间理论的精密卧式加工中心几何精度优化分配方法的流程图;图2为u2000/800H精密卧式加工中心三维模型图;图3为遗传算法原理图;图4为各几何误差源精度优化分配结果。其中,1-床身2-X向滑台3-B向转台4-工件5-立柱6-主轴箱7-主轴8-刀具。具体实施方式下面结合附图和实施例对本专利技术作进一步详细的说明:如图1所示,本专利技术提供的基于区间理论的精密卧式加工中心几何精度优化分配方法,包括以下步骤:(1)建立机床各几何误差和机床空间误差之间的映射模型;数控机床的几何误差,根据是否与机床运动位置相关,可分为位置相关几何误差(PDGEs)和位置独立几何误差(PIGEs)。本专利技术以u2000/800H精密卧式加工中心为例,模型如图2所示,对本专利技术的方法加以说明,上述加工中心在仅考虑平动轴几何误差的情况下共有21项几何误差:与三个轴线坐标位置相关的9项位置误差和9项转角误差,以及位置独立的三个轴线之间的3项垂直度误差,共计18项位置相关几何误差、3项位置独立几何误差,如表1所示。表1数控机床的21项几何误差坐标轴PDGEsPIGEsX轴δx(x),δy(x),δz(x),εx(x),εy(x),εz(x)--Y轴δx(y),δy(y),δz(y),εx(y),εy(y),εz(y)εxyZ轴δx(z),δy(z),δz(z),εx(z),εy(z),εz(z)εxz,εyz表中δx、δy、δz代表位置误差,下角标表示误差的方向;εx、εy、εz代表转角误差,下角标表示转角误差旋转轴线的方向;括号中的x、y、z表示X、Y、Z轴的运动方向。εxy、εyz、εzx分别表示坐标轴X与Y、Y与Z、X与Z之间的垂直度误差。“--”表示没有误差。数控机床是一种由多个刚体串联而成的多体系统,可使用多体系统理论来描述数控机床上各运动部件之间的拓扑关系,用齐次坐标变换矩阵相乘表示数控机床上相邻部件连体坐标系之间的位姿转换关系,从而建立起数控机床21项几何误差与机床末端位姿误差之间的映射模型(以下简称机床误差模型)。根据图2的u2000/800H卧式加工中心的拓扑结构得到相邻体的理想静止、运动特征矩阵以及理想静止、运动误差特征矩阵,如表2所示。表2相邻体的理想静止、运动矩阵以及理想静止、运动误差矩阵表中Tijp、ΔTijp、Tijs、ΔTijs分别表示相邻体的理想静止特征矩阵、理想运动特征矩阵、理想静止误差特征矩阵、理想运动误差特征矩阵;x、y、z分别表示机床运动坐标;xijp、yijp、zijp分别表示机床结构参数;I4×4表示四阶单位矩阵;i,j=1,2,3,…,8;1表示床身,2表示X向滑台,3表示B向转台,4表示工件,5表示立柱,6表示主轴箱,7表示主轴,8表示刀具。设刀尖点在主轴坐标系下的齐次坐标值Pt为:Pt=[00t1]T式中t表示刀具长度。设工件上待加工点在工件坐标系下的齐次坐标值Pw为:Pw=[xwywzw1]Txw,yw,zw表示工件上待加工点在工件坐标系下的坐标值。刀尖点在理想床身坐标系下的齐次坐标值Pt-ideal为:Pt-ideal=T04pT04sT45pT45sT56pT67pPt工件上待加工点在理想床身坐标系下的齐次坐标值Pw-ideal为:Pw-ideal=T01pT01sT12pT12sT23pPw在理想条件下,刀尖点和工件上待加工点是重合的,则有:Pt-ideal=Pw-ideal刀尖点在实际床身坐标系下的齐次坐标值Pt-actual为:Pt-actual=T04pΔT04pT04sΔT04sT45pΔT45pT45sΔT45sT56pΔT56pT67pΔT67pPt工件上待加工点在理想床身坐标系下的齐次坐标值Pw-actual为:Pw-actual=T01pΔT01pT01sΔT01sT12pΔT12pT12sΔT12sT23pΔT23pPw空间误差为:式中:A、分别为几何误差映射矩阵和几何误差向量。将上述机床几何误差模型按位置相关的几何误差和位置独立的几何误差写成如下形式:式中表示空间误差;AD、AI分别为位置相关的几何误差映射矩阵和位置独立的几何误差映射矩阵;εD、εI分别为位置相关的几何误差向量和位置独立的几何误差向量。(2)基于区间理论,进行对各误差源进行灵敏度分析;区间数定义为:式中上角标I表示区间数,后面出现的上角标I含义相同;分别表示区间的上下限。将几何误差空间模型区间化:式中上角标T表示转置。区间扩张因本文档来自技高网...
基于区间理论的精密卧式加工中心几何精度优化分配方法

【技术保护点】
一种基于区间理论的精密卧式加工中心几何精度优化分配方法,其特征在于,包括以下步骤:步骤(1):首先将数控机床看作由多个刚体串联而成的多体系统;其次使用多体系统运动学理论描述数控机床上各运动部件之间的拓扑关系;再次使用齐次坐标变换矩阵相乘表示数控机床上相邻部件连体坐标系之间的位姿转换关系;最后建立起数控机床各几何误差与机床空间误差之间的映射模型;步骤(2):基于区间理论,根据区间扩张因子定义灵敏度,并进行灵敏度分析以反映各误差源对整机空间误差的影响程度;步骤(3):以各误差源区间宽度为设计变量、整机空间体对角线误差为约束条件、各误差源灵敏度系数与区间宽度负二次方乘积的代数和为目标函数,建立区间优化分配模型;步骤(4):基于遗传算法,运用MATLAB软件来求解从而实现几何精度优化分配。

【技术特征摘要】
1.一种基于区间理论的精密卧式加工中心几何精度优化分配方法,其特征在于,包括以下步骤:步骤(1):首先将数控机床看作由多个刚体串联而成的多体系统;其次使用多体系统运动学理论描述数控机床上各运动部件之间的拓扑关系;再次使用齐次坐标变换矩阵相乘表示数控机床上相邻部件连体坐标系之间的位姿转换关系;最后建立起数控机床各几何误差与机床空间误差之间的映射模...

【专利技术属性】
技术研发人员:张大卫刘兴兴田文杰蔡翔徐鹏飞林子心
申请(专利权)人:天津大学
类型:发明
国别省市:天津,12

网友询问留言 已有0条评论
  • 还没有人留言评论。发表了对其他浏览者有用的留言会获得科技券。

1