一种影响三轴加工中心精度衰变的关键误差源识别方法技术

本发明专利技术为一种影响三轴加工中心精度衰变的关键误差源识别方法，属于数控机床精度设计领域，该方法首先利用精度测量装置获取机床各项精度在不同测量时间节点的误差值，计算各精度项从首次测量到各测量时间节点的误差均值，并确定各项精度的误差均值分布区间；然后，将各项误差均值综合于刀具成形点，并将空间分布的误差均值在空间维上进行综合，进而建立三轴加工中心的综合空间误差均值模型；最后，依据各项误差均值分布区间，采用灵敏度分析方法，分析区间内各精度指标的误差均值对综合空间误差均值的影响，确定综合空间误差对各项精度指标的敏感度，完成关键误差源的识别。

【技术实现步骤摘要】
一种影响三轴加工中心精度衰变的关键误差源识别方法
本专利技术属于数控机床精度设计领域，特别涉及一种影响三轴加工中心精度衰变的关键误差源识别方法。
技术介绍
精度衰变是影响数控机床性能的重要因素之一。与国外同类型机床相比，国产机床普遍暴露出精度快速衰变的问题。数控机床的精度变化是一个复杂、多因素作用，并随时间动态演变的综合过程。在机床的设计、制造过程中，由于设计的不合理、装配过当产生的集中应力，使机床在服役过程中机床基础件非常规变形、过度磨损，导致机床的单项或数项精度指标快速衰退，造成零件的加工质量快速下降，甚至导致零件报废。在实际工程中，解决机床精度快速衰变的方法往往是对机床各项精度进行定期检测，并通过人工经验对机床进行反复调试使机床精度得以保证。然而该方法调整复杂、耗时，且需要停机调整，势必给正常生产带来很大压力。为此，寻求一种影响三轴加工中心精度衰变的关键误差源识别方法，可有效指导机床的精度分配，在根源上解决机床快速衰变的问题，也可为实际装配和加工提出指导性建议。目前，数控机床关键性几何误差辨识方法是基于各项精度在出厂检验时的静态数据为评价指标进行辨识。北京工业大学在专利ZL201410234462.X公开了《一种基于全局敏感度分析的三轴数控机床的关键性几何误差辨识方法》，基于多体理论，计算机床测量时的空间误差，并采用全局敏感度理论分析各静态精度项对空间误差的影响。然而，上述方法未以精度变化状态为评价指标进行关键误差源识别。北京工业大学在专利ZL201410653419.7公开了《一种数控机床加工精度可靠性敏感度分析方法》，基于多体理论建立空间误差模型，采用蒙特卡洛数字模拟方法，分析机床的加工精度可靠性。然而，上述方法仅能分析各项机床精度指标在其测量不确定性区间内对空间误差的影响，并未考虑到精度随时间的衰变情况，不能满足基于精度衰变的关键误差源识别。
技术实现思路
本专利技术目的在于克服现有方法不足，针对三轴加工中心的精度衰变问题，专利技术了一种影响三轴加工中心精度衰变的关键误差源识别方法。针对机床各精度指标的动态衰变特点，通过测量机床各项精度指标于不同时间节点误差值，并将其映射到时间维，得到各项精度指标的误差均值，实现精度指标从动态到静态的转化；将映射后的各误差均值综合于刀具成形点，并将于空间分布的刀具成形点误差均值在空间维上综合成唯一评价指标，消除精度衰变状态评价指标在空间维上的信息重叠；利用灵敏度分析方法分析在各项精度指标对机床精度衰变的影响，最终实现对三轴加工中心精度衰变的关键误差源识别。本专利技术采用的技术方案是：一种影响三轴加工中心精度衰变的关键误差源识别方法，该方法首先利用精度测量装置获取机床各项精度在不同测量时间节点的误差值，计算各精度项从首次测量到各测量时间节点的误差均值，并确定各项精度的误差均值分布区间；然后，将各项误差均值综合于刀具成形点，并将空间分布的误差均值在空间维上进行综合，进而建立三轴加工中心的综合空间误差均值模型；最后，依据各项误差均值分布区间，采用灵敏度分析方法，分析区间内各精度指标的误差均值对综合空间误差均值的影响，确定综合空间误差对各项精度指标的敏感度，完成关键误差源的识别。方法的具体步骤如下：第一步，各项精度指标的测量与误差均值的计算首先，采用精度检测设备检测三轴加工中心于不同时间节点ti(i＝1,2Ln)的各项精度指标误差。其中，i为检测次数。三轴加工中心测量误差项及其对应的编号如表1所示，表1：三轴加工中心测量误差项及其对应编号然后，假设各项测量误差在相邻测量时间节点内均匀变化，那么，编号j的误差从首次测量时间节点t1到第i次测量时间节点ti间的误差均值为，式中，为第k次测量编号j误差的检测结果；tk为第k次测量的时间节点。接着，确定编号j的误差从首次测量时间节点t1到各次测量时间节点ti(i＝1,2Ln)的误差均值分布区间其中，分别为计算后编号j的误差项在首次测量时间节点t1到各次测量时间节点ti(i＝1,2Ln)间误差均值的最小值与最大值。最后，按照上述方法，得到各精度项从首次测量时间节点t1到各次测量时间节点ti(i＝1,2Ln)的误差均值及其分布区间。第二步，综合空间误差均值模型的建立抽象三轴加工中心系统拓扑结构，并采用低序体阵列进行描述。通过建立广义坐标系，采用奇次坐标变换矩阵将机床各部分误差传递于刀具成形点。首先，建立三轴加工中心拓扑结构。三轴加工中心结构如图1所示。将机床各组成结构定义为典型体集，规定第i个典型体为Ai(i＝1,2LN)，N为机床典型体个数。将机床床身定义为典型体A1，并按照装配顺序分别沿着刀具与工件两条支链依次编号，编号方向为远离床身的组件方向。其中，在床身与刀具间的典型体个数为v。三轴加工中心拓扑结构如图2所示。然后，建立三轴加工中心的特征矩阵。每个典型体共有6个自由度。为表示各部件间相互位置关系，在各典型体Ai上建立与其固定联接的右手直角笛卡尔坐标系oi-xi-yi-zi。规定所有典型体相对应的坐标轴分别对应平行；坐标轴正方向与其对应运动轴正方向相同。相邻典型体Ai与Aj间存在着理想状态下的静态、相互运动关系以及实际包含误差的静态、相互运动关系。当典型体间为相互运动关系时，其对应坐标系间的运动特征矩阵以及运动误差特征矩阵为如表2所示。表2：理想运动特征矩阵与运动误差特征矩阵其中，为编号j的误差均值；oijx、oijy、oijz分别为典型体Ai坐标系原点oi相对于典型体Aj坐标系原点oj在x、y、z方向的初始位置偏移；Mij为典型体Ai与Aj间的理想运动特征矩阵；△Mij为典型体Ai与Aj间的运动误差特征矩阵；xl、yl、zl为为机床在x轴、y轴、z轴运动位置。设定典型体Ai与Aj间为相互静止的关系时，理想静态特征矩阵与静态误差特征矩阵为I4×4。设定刀具成形点在刀具坐标系内的坐标为Pt＝(Ptx,Pty,Ptz)，工件成形点在工件坐标系内的坐标为Pw＝(Pwx,Pwy,Pwz)。在理想状态下，机床没有误差，即各项误差变化均值为零。因此刀具成形点与工件成形点重合，可以表达为，Pw,ideal＝[M1(v+2)LMN(N-1)]-1[M12LMv(v+1)]Pt(2)式中Mij为典型体Ai与Aj间的理想运动特征矩阵；Pw,ideal为理想条件下工件成形点在工件坐标系内的坐标；Pt为刀具成形点在刀具坐标系内的坐标；v为床身与刀具间的典型体个数；N为机床典型体总个数。在实际工况下，机床各项误差变化均值不为零，因此刀具成形点与工件成形点关系可以表达为：Pw＝[M1(v+2)△M1(v+2)LMN(N-1)△MN(N-1)]-1[M12△M12LMv(v+1)△Mv(v+1)]Pt(3)式中Mij为典型体Ai与Aj间的理想运动特征矩阵；△Mij为典型体Ai与Aj间的运动误差特征矩阵；Pw为实际条件下工件成形点在工件坐标系内的坐标；Pt为刀具成形点在刀具坐标系内的坐标。因此，三轴加工中心空间误差均值模型为：E＝[Ex,Ey,Ez,0]T＝Pw,ideal-Pw(4)其中，Ex为沿x方向的空间误差均值；Ey为沿y方向的空间误差均值；Ez为沿z方向的空间误差均值。可以进一步表示为：其中，为三轴加工中心各项误差均值集合T＝[xt,yt,zt,0本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种影响三轴加工中心精度衰变的关键误差源识别方法，其特征在于，首先利用精度测量装置获取机床各项精度在不同测量时间节点的误差值，计算各精度项从首次测量到各测量时间节点的误差均值，并确定各项精度的误差均值分布区间；然后，将各项误差均值综合于刀具成形点，并将空间分布的误差均值在空间维上进行综合，进而建立三轴加工中心的综合空间误差均值模型；最后，依据各项误差均值分布区间，采用灵敏度分析方法，分析区间内各精度指标的误差均值对综合空间误差均值的影响，确定综合空间误差对各项精度指标的敏感度，完成关键误差源的识别。

【技术特征摘要】
1.一种影响三轴加工中心精度衰变的关键误差源识别方法，其特征在于，首先利用精度测量装置获取机床各项精度在不同测量时间节点的误差值，计算各精度项从首次测量到各测量时间节点的误差均值，并确定各项精度的误差均值分布区间；然后，将各项误差均值综合于刀具成形点，并将空间分布的误差均值在空间维上进行综合，进而建立三轴加工中心的综合空间误差均值模型；最后，依据各项误差均值分布区间，采用灵敏度分析方法，分析区间内各精度指标的误差均值对综合空间误差均值的影响，确定综合空间误差对各项精度指标的敏感度，完成关键误差源的识别。2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，具体步骤如下：第一步，各项精度指标的测量与误差均值的计算首先，采用精度检测设备检测三轴加工中心于不同时间节点ti(i＝1,2Ln)的各项精度指标的误差；其中，i为检测次数；三轴加工中心测量误差项及其对应的编号如表1所示，表1：三轴加工中心测量误差项及其对应编号然后，假设各项测量误差在相邻测量时间节点内均匀变化，那么，编号j的误差从首次测量时间节点t1到第i次测量时间节点ti间的误差均值为，式中，为第k次测量编号j误差的检测结果；tk为第k次测量的时间节点；接着，确定编号j的误差从首次测量时间节点t1到各次测量时间节点ti(i＝1,2Ln)的误差均值分布区间其中，分别为计算后编号j的误差项在首次测量时间节点t1到各次测量时间节点ti(i＝1,2Ln)间误差均值的最小值与最大值；最后，按照上述方法，得到各精度项从首次测量时间节点t1到各次测量时间节点ti(i＝1,2Ln)的误差均值及其分布区间；第二步，综合空间误差均值模型的建立抽象三轴加工中心系统拓扑结构，并采用低序体阵列进行描述；通过建立广义坐标系，采用奇次坐标变换矩阵将机床各部分误差传递于刀具成形点；首先，建立三轴加工中心拓扑结构；将机床各组成结构定义为典型体集，规定第i个典型体为Ai(i＝1,2LN)，N为机床典型体个数；将机床床身定义为典型体A1，并按照装配顺序分别沿着刀具与工件两条支链依次编号，编号方向为远离床身的组件方向；其中，在床身与刀具间的典型体个数为v；然后，建立三轴加工中心的特征矩阵；每个典型体共有6个自由度；为表示各部件间相互位置关系，在各典型体Ai上建立与其固定联接的右手直角笛卡尔坐标系oi-xi-yi-zi；规定所有典型体相对应的坐标轴分别对应平行；坐标轴正方向与其对应运动轴正方向相同；相邻典型体Ai与Aj间存在着理想状态下的静态、相互运动关系以及实际包含误差的静态、相互运动关系；当典型体间为相互运动关系时，其对应坐标系间的运动特征矩阵以及运动误差特征矩阵为如表2所示；表2：理想运动特征矩阵与运动误差特征矩阵其中，为编号j的误差均值；oijx、oijy、oijz分别为典型体Ai坐标系原点oi相对于典型体Aj坐标系原点oj在x、y、z方向的初始位置...

【专利技术属性】
技术研发人员：李多祥，张冬，吕博，谭娇，张云峰，董彦宏，徐凤亮，李云，王瑞，
申请(专利权)人：沈阳机床股份有限公司，
类型：发明
国别省市：辽宁,21