一种基于价值分析法的机床几何精度优化方法技术

本发明专利技术公开了一种基于价值分析法的机床几何精度优化方法，该方法基于价值分析法采用机床加工精度的全局敏感度分析和几何误差相关性分析相结合的方法，对四轴加工中心的各误差项进行分析。首先利用齐次变换矩阵法对四轴机床进行几何误差建模；然后对数控机床的加工精度进行全局敏感度分析以及相关性分析，确定各误差项对于机床加工精度的影响程度并确定价值分析法中的功能系数及成本系数；第三，建立机床几何误差的精度分配优化模型；最后，根据价值分析法对机床加工精度进行优化设计。

An optimization method for geometric accuracy of machine tools based on value analysis method

The invention discloses a method of geometric precision optimization of machine tools based on value analysis. The method is based on the method of combining the global sensitivity analysis with the geometric error correlation analysis by the value analysis method, and analyzes the error items of the four axis machining center. First, the geometric error modeling of four axis machine tools is carried out by the homogeneous transformation matrix method, and then the global sensitivity analysis and correlation analysis are carried out to the machining precision of the NC machine tool. The influence degree of each error term on the machining precision of the machine tool is determined and the function coefficient and the cost coefficient in the value analysis method are determined. Third, the establishment of the machine is established. Finally, according to the value analysis method, the machine tool machining accuracy is optimized.

【技术实现步骤摘要】
一种基于价值分析法的机床几何精度优化方法
本专利技术涉及到多轴机床几何精度的分析方法，属于机床精度设计领域，具体涉及一种基于价值分析法的机床几何精度优化方法。
技术介绍
在现代机械设计及制造过程中，随着尖端科学技术的发展，对于精密及超精密仪器的加工技术要求越来越高，机床的加工精度便显得更加重要。近些年来，数控机床的加工精度问题越来越受到重视，相关技术也不断取得突破性进展，但是，随着加工精度的不断提高，机床的加工成本也随之增加，因此，为了适应市场需求，必须在确保精度的同时严格控制成本，协调好两者的关系。精度分配是精度设计的一个重要方面，是根据给定机器或机构等的总位置精度制定其主要零部件的精度，不仅直接决定了产品的技术质量，也影响到产品的加工成本。目前国内外已有许多研究着眼于机床几何误差的精度分配优化设计，但大多数研究仍然不够重视精度与成本两者的紧密联系，许多研究仍然停留在使用传统方法对机床进行精度设计，虽有一定的适用性，但其普遍存在不足之处，主要在于缺乏全面、深入、细致地考虑零部件的功能和结构特征，加工难度和成本等各方面因素，工作效率低且成本较高。价值分析法的根本目的在于从降低成本和改本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于价值分析法的机床几何精度优化方法，其特征在于：该方法具体包括如下步骤：步骤1：建立精密加工中心的几何误差模型；步骤1.1建立所述精密卧式加工中心的特征矩阵；对卧式坐标镗加工中心几何误差进行建模及分析，卧式加工中心作为四轴数控机床，有包含定位误差、直线度误差、角度误差在内的三十项几何误差；基于齐次变换矩阵理论，分析各部件几何误差对机床精度的影响，得到各运动部件之间的齐次变换矩阵；步骤1.2建立精密加工中心的几何误差模型假设刀具成形点在刀具坐标系t‑xyz内的坐标Pt是：Pt＝(ptx pty ptz 1)

【技术特征摘要】
1.一种基于价值分析法的机床几何精度优化方法，其特征在于：该方法具体包括如下步骤：步骤1：建立精密加工中心的几何误差模型；步骤1.1建立所述精密卧式加工中心的特征矩阵；对卧式坐标镗加工中心几何误差进行建模及分析，卧式加工中心作为四轴数控机床，有包含定位误差、直线度误差、角度误差在内的三十项几何误差；基于齐次变换矩阵理论，分析各部件几何误差对机床精度的影响，得到各运动部件之间的齐次变换矩阵；步骤1.2建立精密加工中心的几何误差模型假设刀具成形点在刀具坐标系t-xyz内的坐标Pt是：Pt＝(ptxptyptz1)T(1)工件成形点在工件坐标系w-xyz内的坐标是：Pw＝(pwxpwypwz1)T(2)在理想运动情况下，机床不产生误差，刀具成形点和工件成形点重合，即其中，公式(3)右上角的P和S分别表示静态和动态，即和分别表示相邻部件的理想静态齐次变换矩阵和理想运动齐次变换矩阵；得理想刀具成形点在工件坐标系中的坐标Pwideal为：然而在实际加工过程中，实际刀具成形点的位置要偏离理想刀具成形点的位置；因此，实际刀具成形点在工件坐标系中的坐标是：Pwactrual＝(EK06)-1EK03Pt(5)其中，EK06和EK03分别表示工件分支和刀具分支的误差齐次变换矩阵；误差齐次变换矩阵表达式分别如下：在公式(6)中，和分别表示相邻部件的静态误差齐次变换矩阵和运动误差齐次变换矩阵；于是可得卧式加工中心的误差模型表达式：E＝EK06Pwideal-EK03Pt(7)E表示此四轴机床的几何误差，其中包含三个部分Ex、Ey、Ez，即E＝[ExEyEz1]T(8)步骤2：建立卧式加工中心几何误差的价值分析法模型步骤2.1价值分析法基本模型价值分析就是综合考虑功能、成本与价值三个因素之间的关系，从降低成本和改善功能两方面进行合理化工作；三者的关系式如下：其中V为价值；F为功能；C为成本；根据不同的评价方法，上式各项可以有不同的定义和取值方法；将F定义为功能系数，将C定义为成本系数；对数控机床的加工精度进行全局敏感度分析以及相关性分析，确定各误差项对于机床加工精度的影响程度并确定价值分析法中的功能系数及成本系数按照价值分析法的观点：当Vi＝1时，功能和成本能够达到协调、相称，这时的整体价值最高，也是最有利的情况，即可推得：为了更加明确各项几何误差对总体精度的影响，根据SPSS软件的聚类分析结果，利用价值分析法公式对各分类项进行求和计算，确定整体价值最高的状态，即：n为每一类几何误差的总个数；则推得：这就是价值分析法几何误差分配的优化模型；Ai通过敏感度分析求得，E0为精度综合中给定的设计参数，则通过优化计算求得各项几何误差优化值Δi；步骤2.2建立机床加工精度的全局敏感度分析模型为了更加精确地分析各误差因素及其相互作用对加工精度的影响程度，找出关键性几何误差，需对各误差因素进行全局敏感度分析，从而确定价值分析法中的功能系数；将机床几何误差模型进一步写成如下形式：E＝[ExEyEz1]T＝Pwideal-Pwactual＝E(H,Pt,I)(12)式中，Ex,Ey,Ez表示机床各向几何误差；H＝[h1,h2,......,hn]T，h1,h2,......,hn表示n个机床各零部件几何误差；Pt和I分别表示刀具成形点在刀具坐标系中的坐标以及机床X轴，Y轴，Z轴运动部件的位置向量；由于分析的是机床运动几何误差对加工精度的影响，Pt和I都认为是无误差且预先设定的，则数控机床的空间误差模型可转化为各项几何误差的函数：E＝E(H)＝[Ex(H),Ey(H),Ez(H),1]T(13)对于四轴机床而言只需研究二十四项运动几何误差对加工精度的敏感度，与运动量相关的几何误差项均具有不确定性，且服从正态分布，包括Δxx，Δyx，Δzx，Δαx，Δβx，Δγx，Δxy，Δyy，Δzy，Δαy，Δβy，Δγy，Δxz，Δyz，Δzz，Δαz，Δβz，Δγz，ΔxB，ΔyB，ΔzB，ΔαB，ΔβB，ΔγB共24项；则定义一个24维的单元体U24作为输入因素的空间域；采用Sobol’法进行全局灵敏度分析，X方向的空间加工误差Ex表示为：总方差D表示为偏方差为式中1≤i1＜...＜is≤k且s＝1,2,...,k；将总方差分解为全局敏感度表示为式中，Si为hi的一阶全局敏感度；Sij(i≠j)为几何误差hi和hj的二阶敏感度；S1,2,...n为几何误差h1,h2,...,hn的n阶敏感度；第i项几何误差的全局敏感度可用来表示第i项几何误差对机床的误差的总影响；表示为：式中，由蒙特卡...

【专利技术属性】
技术研发人员：程强，董立芳，赵永胜，李佳颖，刘志峰，
申请(专利权)人：北京工业大学，
类型：发明
国别省市：北京,11