利用工件允差反演加工用机床精度指标要求的方法技术

本发明专利技术属于数控机床领域，具体涉及一种利用工件允差反演加工用机床精度指标要求的方法，包括下述步骤:1)：建立被加工工件各项常见特征对应允差与加工用机床刀具相对工件六维位置姿态误差允许变动范围之间的映射模型；2)：利用步骤1中所述映射模型，针对被加工工件的各项单一允差，分别求解机床刀具相对工件六维位置姿态误差的变动范围。3)：将步骤2中得到的各个机床刀具相对工件六维位置姿态误差变动范围求交集，得到为保证工件精度要求机床刀具相对工件六维位置姿态误差的最小变动范围。本发明专利技术利用工件各项允差，从理论上推演出加工用机床刀具相对工件六维位置姿态误差的变动范围必须满足什么条件才能保证加工出的工件满足精度要求。

【技术实现步骤摘要】
利用工件允差反演加工用机床精度指标要求的方法
本专利技术属于数控机床领域，具体涉及一种利用工件允差反演加工用机床精度指标要求的方法。
技术介绍
利用数控机床加工出来的工件的形状或轮廓通常与理想值之间存在偏差，即存在加工误差。从误差传递的角度来看，机床各个轴线的运动部件均存在运动误差，各个轴线的运动误差会导致刀具相对工件运动时存在六维的相对运动误差，即位置误差与姿态误差，进而在加工过程中该位置姿态误差将会在工件的加工精度上反应出来。对于各个轴线的运动误差与刀具相对工件的六维位置姿态误差之间的映射模型建立方法，目前已得到妥善的解决，较为常见的方法有多体运动学法、D-H法、旋量法、矢量法、指数积方法等。然而机床刀具相对工件六维位置姿态误差与被加工工件特征公差之间的非线性映射关系的建模方法，尤其是如何利用被加工工件特征公差要求反演机床刀具相对工件六维位置姿态误差指标要求这一技术问题尚未得到解决，也未见相关报导。这其中存在的难点主要有：被加工工件的每一项特征公差与机床刀具相对工件六维位置姿态误差之间的非线性映射模型难于建立；被加工工件通常存在多项特征也就存在多项公差(或允差)，如何将被加工工件的各项特征公差与机床刀具相对工件六维位置姿态误差之间的关系统一起来考虑，形成综合误差映射模型，尚未有成熟方法。
技术实现思路
本专利技术的目的在于克服现有技术中的缺陷，提供一种利用工件允差反演加工用机床精度指标要求的方法。本专利技术为实现上述目的，采用以下技术方案：一种利用工件允差反演加工用机床精度指标要求的方法，包括下述步骤:1)：建立被加工工件各项常见特征对应允差与加工用机床刀具相对工件六维位置姿态误差允许变动范围之间的映射模型；2)：利用步骤一中所述映射模型，针对被加工工件的各项单一允差，分别求解机床刀具相对工件六维位置姿态误差的变动范围。3)：将步骤二中得到的各个机床刀具相对工件六维位置姿态误差变动范围求交集，得到为保证工件精度要求机床刀具相对工件六维位置姿态误差的最小变动范围。具体的，步骤1)中针对各项常用公差分别建立相应映射模型；记机床刀尖点相对工件被加工点的三维位置误差向量为Δr＝(ΔxΔyΔz)T，其中Δx、Δy、Δz分别表示机床刀尖点相对工件被加工点的沿X方向、Y方向、Z方向的位置误差，记机床刀具相对于工件的三维姿态误差向量为Δθ＝(ΔαΔβΔγ)T，其中Δα、Δβ、Δγ分别表示机床刀具相对于工件的绕X方向、Y方向、Z方向的姿态误差，记机床刀具相对工件六维位置姿态误差向量$＝(ΔrTΔθT)T。(1)端铣平面的平面度公差Tpla端铣时由于刀具端面尺寸较小，可以忽略刀具转角误差对端铣精度的影响；令被加工平面的方程为Ax+By+Cz＝0，则该平面法向矢量为n＝(ABC)T，单位法向矢量为为保证平面度要求，刀尖点到理想平面的距离d必须小于Tpla/2，即当$中各元素单独起作用与同时起作用时，d都必须满足该条件，于是$中各元素与平面度公差Tpla的映射关系为(2)周铣平面的平面度公差Tpla令被加工平面的方程为Ax+By+Cz＝0，记刀具轴线方向单位向量为切削进给方向单位向量于是$中各元素与平面度公差Tpla的映射关系为(3)给定方向的直线度公差Tstr记直线度公差度量方向的单位矢量为则该情况可以等价为平面度公差Tpla＝Tstr的形式；(4)圆度公差Tcir令圆所在平面方程为Ax+By+Cz＝0，其法向矢量为n＝(ABC)T，单位法矢为约束条件为：刀尖点位置误差向量在圆面内投影的模小于Tcir/2，于是$中各元素与平面度公差Tcir的映射关系为其中，Δrn、Δrcir分别为刀尖点位置误差向量在平面法向以及平面内的投影向量；(5)圆柱度公差Tcyl记圆柱轴线方向单位向量为在圆柱任一截面内找到互相垂直的一对单位向量，分别记为将Δr、Δθ投影到方向，投影向量分别记为Δrx、Δry、Δθx、Δθy，于是$中各元素与平面度公差Tcyl的映射关系为(6)未给定方向的直线度公差Tstr该情况可以等价为圆柱度Tcyl＝Tstr的形式；7)其余各类公差对应的映射模型均可转化为前述情况予以解决；面对面的平行度公差问题，可转化为一个平面相对于另一基准平面的平面度的问题；线对面的平行度公差问题，可转化为轴线在任意方向上的直线度问题，进而转化为对应圆柱面的圆柱度的问题；面对线的平行度公差问题，可转化为被约束平面在指定方向上的平面度的问题；线对线的平行度公差问题，可转化为被约束直线在任意方向上的直线度问题，进而转化为轴线所对应的圆柱面的圆柱度的问题；面对面以及面对线的垂直度公差问题，可转化为平面在给定方向上的平面度的问题；线对线的垂直度公差问题，可转化为空间直线的直线度的问题；线对面的垂直度公差问题，可转化为轴线所对应圆柱面圆柱度的问题；面对线、面对面以及线对线的倾斜度公差问题，可转化为指定方向上平面度的问题；同轴度公差问题，可转化为被约束圆柱面轴线的直线度，进而转化为圆柱面的圆柱度进行求解；位置度公差问题，可转化为轴线的直线度，进而转化为孔的圆柱度进行求解。与现有技术相比，本专利技术的有益效果是：本专利技术利用被加工工件各项允差，从理论上推演出加工用机床刀具相对工件六维位置姿态误差的变动范围必须满足什么条件才能保证加工出的工件满足精度要求；解决两类工程难题：其一，判断工厂已有机床的精度水平能否加工出满足精度要求的工件；其二，为机床的正向设计工作提供设计依据与设计目标。本专利技术采用直观、简洁、具有显式表达的方法，求解得到为满足工件加工精度要求时，机床刀具相对工件六维位置姿态误差向量中各分量所允许的最大变动量，不仅可以通过对被加工工件图纸中各公差要求的分析，判断应采用什么精度等级的机床来完成加工任务，同时也可以为机床的正向设计工作提供设计依据与设计目标。附图说明图1：端铣平面的平面度公差；图2：周铣平面的平面度公差；图3：给定方向的直线度公差；图4：圆度公差；图5：圆柱度公差；图6：未给定方向的直线度公差；图7：国家标准中用于机床精度检验的工件的各项公差要求；图8：工件斜边直线度公差示意图；图9：工件位置度公差示意图。具体实施方式为了使本
的技术人员更好地理解本专利技术的技术方案，下面结合附图和最佳实施例对本专利技术作进一步的详细说明。一种利用工件允差反演加工用机床精度指标要求的方法，包括下述步骤:1)：建立被加工工件各项常见特征对应允差与加工用机床刀具相对工件六维位置姿态误差允许变动范围之间的映射模型；2)：利用步骤一中所述映射模型，针对被加工工件的各项单一允差，分别求解机床刀具相对工件六维位置姿态误差的变动范围。3)：将步骤二中得到的各个机床刀具相对工件六维位置姿态误差变动范围求交集，得到为保证工件精度要求机床刀具相对工件六维位置姿态误差的最小变动范围。具体的，步骤1)中针对各项常用公差分别建立相应映射模型；记机床刀尖点相对工件被加工点的三维位置误差向量为Δr＝(ΔxΔyΔz)T，其中Δx、Δy、Δz分别表示机床刀尖点相对工件被加工点的沿X方向、Y方向、Z方向的位置误差，记机床刀具相对于工件的三维姿态误差向量为Δθ＝(ΔαΔβΔγ)T，其中Δα、Δβ、Δγ分别表示机床刀具相对于工件的绕X方向、Y方向、Z方向的姿态误差，记机床刀具相对工件六维位置姿态误本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种利用工件允差反演加工用机床精度指标要求的方法，其特征在于，包括下述步骤:1)：建立被加工工件各项常见特征对应允差与加工用机床刀具相对工件六维位置姿态误差允许变动范围之间的映射模型；2)：利用步骤1中所述映射模型，针对被加工工件的各项单一允差，分别求解机床刀具相对工件六维位置姿态误差的变动范围；3)：将步骤2中得到的各个机床刀具相对工件六维位置姿态误差变动范围求交集，得到为保证工件精度要求机床刀具相对工件六维位置姿态误差的最小变动范围。

【技术特征摘要】
1.一种利用工件允差反演加工用机床精度指标要求的方法，其特征在于，包括下述步骤:1)：建立被加工工件各项常见特征对应允差与加工用机床刀具相对工件六维位置姿态误差允许变动范围之间的映射模型；2)：利用步骤1中所述映射模型，针对被加工工件的各项单一允差，分别求解机床刀具相对工件六维位置姿态误差的变动范围；3)：将步骤2中得到的各个机床刀具相对工件六维位置姿态误差变动范围求交集，得到为保证工件精度要求机床刀具相对工件六维位置姿态误差的最小变动范围。2.根据权利要求1所述的利用工件允差反演加工用机床精度指标要求的方法，其特征在于，步骤1)中针对各项常用公差分别建立相应映射模型；记机床刀尖点相对工件被加工点的三维位置误差向量为Δr＝(ΔxΔyΔz)T，其中Δx、Δy、Δz分别表示机床刀尖点相对工件被加工点的沿X方向、Y方向、Z方向的位置误差，记机床刀具相对于工件的三维姿态误差向量为Δθ＝(ΔαΔβΔγ)T，其中Δα、Δβ、Δγ分别表示机床刀具相对于工件的绕X方向、Y方向、Z方向的姿态误差，记机床刀具相对工件六维位置姿态误差向量$＝(ΔrTΔθT)T；(1)端铣平面的平面度公差Tpla端铣时由于刀具端面尺寸较小，可以忽略刀具转角误差对端铣精度的影响；令被加工平面的方程为Ax+By+Cz＝0，则该平面法向矢量为n＝(ABC)T，单位法向矢量为为保证平面度要求，刀尖点到理想平面的距离d必须小于Tpla/2，即当$中各元素单独起作用与同时起作用时，d都必须满足该条件，于是$中各元素与平面度公差Tpla的映射关系为(2)周铣平面的平面度公差Tpla令被加工平面的方程为Ax+By+Cz＝0，记刀具轴线方向单位向量为切削进给方向单位向量于是$中各元素与平面度公差Tpla的映射关系为(3)给定方向的直线度公差Tstr记直线度公差度量方向的单位矢量为则该情况可以等价为平面度公差Tpla＝Tstr的形式；(4)圆度公差Tcir令圆所在平面方程为Ax+By+Cz＝0，其法向矢量为n＝(ABC)T，单位法矢为...

【专利技术属性】
技术研发人员：王丽娜，
申请(专利权)人：天津中德应用技术大学，
类型：发明
国别省市：天津,12