基于零件特征的数控机床加工能力评定方法技术

一种基于零件特征的数控机床加工能力评定方法，其特征是首先根据机床部件运动方式建立各运动部件间的运动矩阵和误差矩阵。然后根据机床运动部件间的连接关系确定矩阵的顺序，通过矩阵计算得到刀具的位置误差和姿态误差，统称为位姿误差。然后依据特征的几何形状和公差的参考基准情况，对刀具位姿误差产生的特征误差进行分别计算。最后将计算得到特征加工误差与特征设计要求的形位公差要求进行比较，从而确定机床精度要求是否合适。本发明专利技术提供了一种快速直接的机床精度水平评价方法，解决了工艺人员在数控加工编程中依赖经验或者通过反复试验来获知机床加工能力的问题，提高了工艺准备效率，降低了加工成本，保证了数控加工的质量。

【技术实现步骤摘要】
基于零件特征的数控机床加工能力评定方法
本专利技术涉及一种CAM技术，尤其是一种能供工艺人员快速判定所选的数控机床能否满足加工精度要求的机床选定判别方法，具体地说是一种基于零件特征的数控机床加工能力评定方法。
技术介绍
由于市场的竞争，缩短研发时间、降低研发成本变得越来越重要。对于机械产品制造企业，越来越多的高精度机床被用来制造更高精度更高价值的产品。因此有效的利用这些设备，减少停机，加强生产效率是降低成本的关键。因此在工艺准备时选择合适的加工设备非常重要,而设备加工精度能力的评估则是选择设备的重要依据。机床精度是机床最重要的性能参数，很大程度上影响零件的加工质量。机床用户希望能够充分利用机床来制造高附加值、高精度、高质量的产品，并且避免高性能机床加工低价值零件。但是目前这些决策过程都是由加工积累的经验或者反复试验所决定。因此，机床用户迫切需要对机床的精度能力进行合理的评价，来实现机床资源的优化使用。查阅已有的文献，目前的机床精度能力评估方法有：1969年提出的NAS979标准被用于机床加工精度能力的检测，该标准根据圆、菱形、凸台等特定形状零件的切削结果检验机床的各项精度。西南交大杜丽等在专利《基于“S”形检测试件的五轴数控机床的误差辨识方法》中通过分析“S”形试件的切削结果来评价机床的加工精度。同时，还有学者提出通过仿真来建立零件加工精度与机床误差关系的方法。但是无论是上述实际切削的方法还是仿真的方法，都需要在数控加工程序编制好之后才能进行机床加工精度的评定。使得上述方法无法成为企业在生产新的零件时机床选择的直接依据，难以适用于时间要求紧迫的复杂零件程编工艺准备过程。
技术实现思路
本专利技术针对目前工艺人员在进行工艺编程时主要依靠经验判定所使用的数控机床能否满足加工精度要求，并且需要在数控加工程序编制好之后才能进行机床加工精度的评定，难以适用于时间要求紧迫的复杂零件程编工艺准备过程，造成时间和精力浪费的问题，专利技术一种基于零件特征的数控机床加工能力评定方法。本专利技术为解决其技术问题采用如下技术方案：一种基于零件特征的数控机床加工能力评定方法，其特征在于它包括以下步骤：(1)依据机床结构和机床几何误差，确定机床部件的运动方式和运动部件间的连接关系，进而确定机床部件的运动矩阵和误差矩阵，计算刀具的理想位姿和有机床误差状态下的位姿，将刀具误差理想位姿和有机床误差状态下的位姿相减得到刀具的位姿误差；(2)依据公差定义和零件特征的几何特性，区分无参考基准和有参考基准两种类型公差，对刀具位姿误差产生的特征误差进行分别计算，得到特征误差；(3)将特征公差除以特征误差，得到公差耗费系数，如果公差耗费系数大于设定值，则表示所选数控机床能满足加工要求，否则需要重新选择数控机床并重新进行评定。所述的公差耗费系数值为4。如采用具有中间检测技术能力的数控机床，所述的公差耗费系数值如不小于1，则能通过加工过程的中间检测保证加工精度，若公差耗费系数值小于1，则该数控机床完全不可用于该零件特征的加工。本专利技术的有益效果是：本专利技术解决了工艺人员在数控加工编程中依赖经验或者通过反复试验来获知机床加工能力的问题，提高了工艺准备效率，能够有效判定机床的加工能力，提高机床的利用率，降低加工成本，为工艺准备中的机床选择提供了依据。附图说明图1为本专利技术中方法的总流程图。图2本专利技术中采用图示的三轴立式龙门加工中心为机床实例。图3为端铣平面特征的特征误差来源示意图。图4为端铣平面特征的特征误差来源示意图。图5为侧铣孔特征的特征误差来源示意图。图6为孔特征的轴线误差计算示意图。图7为两孔特征的平行度误差计算示意图。图中：1龙门(立柱和横梁)、2主轴箱滑板、3主轴箱、4主轴、5床身、6刀具位置误差导致的特征误差范围、7刀具姿态误差与刀具半径产生的特征误差范围、8刀具位置误差导致的特征误差范围、9刀具姿态误差导致的特征误差范围、10被加工的孔、11圆柱的一个极限位置、12圆柱的另一对应极限位置、13圆柱尺寸偏差范围、14圆柱轴偏差范围、15目标孔、16目标孔的轴线存在区域、17目标孔轴线、18平行度误差、19参考基准孔、20参考基准孔的轴线、21参考基准孔的轴线存在的区域具体实施方式下面结合附图和实施例对本专利技术做进一步详细说明。如图1-7所示。一种基于零件特征的数控机床加工能力评定方法，其流程如图1所示，包含以下步骤：步骤1、依据拟选用机床结构和机床几何误差，确定机床部件的运动方式和运动部件间的连接关系，进而确定机床部件的运动矩阵和误差矩阵，计算刀具的理想位姿和有机床误差状态下的位姿，得到刀具的位姿误差。步骤1.1、分析机床结构，确定机床部件的运动方式和运动部件间的连接关系。以如图2所示的三轴龙门加工中心机床为例，依据机床的结构，确定机床运动部件之间的顺序关系如下：床身-龙门-主轴箱滑板-主轴箱-刀具，其中龙门是X方向运动部件，主轴箱滑板是Y方向运动部件，主轴箱是Z方向运动部件。步骤1.2、依据机床部件的运动方式确定机床部件之间的运动矩阵。(1)首先找到机床中保持静止的部件，图2所示机床中静止部件为机床的床身。然后确定在静止部件上运动的机床部件，则为图2中的龙门。根据坐标变换原理，若在床身和立柱上的分别建立固连坐标系OBXBYBZB、O1X1Y1Z1。假设立柱沿X轴运动距离为X，则固定于床身的坐标系OBXBYBZB和固定于立柱的坐标系O1X1Y1Z1之间的运动变换矩阵为：对于空间中某点在立柱坐标系下的坐标为Px,在床身坐标系下的坐标为PB，得到两者之间的计算关系为下面的表达式，下文将都会用到此坐标变换原理。其中X为立柱沿X轴的移动距离。(2)主轴箱滑板相对于龙门的水平移动(Y轴运动)运动变换矩阵为：其中Y为该运动的移动距离。(3)刀具相对于主轴箱的运动(Z轴运动)变换矩阵为：其中Z为该运动的移动距离。(4)刀具相对于主轴箱的运动(刀具坐标系相对于主轴箱坐标系的位移)变换矩阵为：其中L为刀具长度。步骤1.3、根据机床运动部件间的连接关系确定运动矩阵的相乘顺序，通过矩阵计算得到刀具的理想位姿，包括：理想的刀具位置和理想的刀具方向。依据上述的误差矩阵，结合机床部件的连接关系，依据坐标变换原理，刀具的理想位置矢量WB和方向矢量VB的计算方法如下：其中表示的是龙门上固连的X坐标系相对于床身坐标系有大小为刀具长度L的初始位移。步骤1.4、依据机床部件的运动方式和机床的几何误差，确定机床运动部件之间的误差矩阵。机床运动部件有6个自由度，对应六个方向的误差，X方向的位移误差Δx,Y方向的位移误差Δy,Z方向上的位移误差Δz,绕X轴旋转的角度误差Δα,绕Y轴旋转的角度误差Δβ,绕Z轴旋转的角度误差Δγ,依据坐标变换原理，机床运动部件自身的误差误差合成如下：由于旋转角Δα、Δβ、Δγ很小，可以忽略二阶量，上式结果可以化简为：此矩阵即为任意机床运动部件的误差矩阵。对于具体的机床运动部件，如龙门相对于床身的运动(以下称为X轴运动)误差矩阵为：其中Δx(x)为X轴运动定位误差，Δy(x)、ΔZ(x)为X轴运动的直线度误差，δx(x)、δy(x)、δz(x)为X轴运动的姿态误差。则在有误差情况下，(1)龙门相对于床身的运动矩阵由下面两个矩阵相乘表示:(2)主轴箱滑板相对于龙门的水平移本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于零件特征的数控机床加工能力评定方法，其特征在于它包括以下步骤：(1) 依据机床结构和机床几何误差，确定机床部件的运动方式和运动部件间的连接关系，进而确定机床部件的运动矩阵和误差矩阵，计算刀具的理想位姿和有机床误差状态下的位姿，将刀具误差理想位姿和有机床误差状态下的位姿相减得到刀具的位姿误差;(2) 依据公差定义和零件特征的几何特性，区分无参考基准和有参考基准两种类型公差，对刀具位姿误差产生的特征误差进行分别计算，得到特征误差;(3) 将特征公差除以特征误差，得到公差耗费系数，如果公差耗费系数大于设定值，则表示所选数控机床能满足加工要求，否则需要重新选择数控机床并重新进行评定。

【技术特征摘要】
1.一种基于零件特征的数控机床加工能力评定方法，其特征在于它包括以下步骤：(1)依据机床结构和机床几何误差，确定机床部件的运动方式和运动部件间的连接关系，进而确定机床部件的运动矩阵和误差矩阵，计算刀具的理想位姿和有机床误差状态下的位姿，将刀具误差理想位姿和有机床误差状态下的位姿相减得到刀具的位姿误差;(2)依据公差定义和零件特征的几何特性，区分无参考基准和有参考基准两种类型公差，对刀具位姿误差产生的特征误差进行分别计算，得到特征误差;(3)将特征公差除以特征误差，得到公差耗费系数，如果公差耗费系数大于设定值，则表示所选数控机床能满足加工要求，否则需要重新选择数控机床并重新进行评定；步骤3.1、将零件设计的特征公差值与计算得到的特...

【专利技术属性】
技术研发人员：李迎光，李海，王慧洁，王伟，
申请(专利权)人：南京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：江苏;32