一种精密机床进给系统部件刚度的匹配方法技术方案

一种精密机床进给系统部件刚度的匹配方法，包括：建立整机误差模型：定义机床特征及所述特征坐标系，定义机床特征误差，定义微分矢量误差传递矩阵，根据微分矢量法建立整机误差模型；建立整机刚度模型：定义机床各部件刚度系数，进行受力分析，建立整机刚度模型；基于DOE的方法进行刚度灵敏度分析：确定各部件刚度范围，数值化整机刚度模型，进行刚度的灵敏度分析；执行多目标线性规划完成刚度匹配。本发明专利技术可实现进给系统刚度的理论化设计，提高设计效率、避免成本浪费，极大提高机床性能与加工质量，弥补我国机床进给系统设计理论的空白。本发明专利技术真正在理论上实现了机床刚度正向设计，降低了以往凭经验设计的刚度不足与刚度过剩的机率，提高了设计的可靠性。

A Matching Method for Stiffness of Feed System Components of Precision Machine Tools

【技术实现步骤摘要】
一种精密机床进给系统部件刚度的匹配方法
本专利技术涉及一种精密机床进给系统。特别是涉及一种精密机床进给系统部件刚度的匹配方法。
技术介绍
数控机床是制造业的基础，数控机床的发展直接影响了国家制造业的发展水平。进给系统作为数控机床中的重要组成部分，是保证工件与刀尖具有正确相对位置的关键，直接影响着机床工作性能。随着加工要求向着高速化、精密化发展，进给系统刚度的影响日益深刻，然而国内机床行业对进给系统刚度的正向设计机理尚不明确。机床的结构件刚度设计中，多采用通过建立三维模型，然后进行有限元仿真的方法进行设计验证，设计手段比较成熟；然而进给系统的刚度设计却没有明确的设计理论作支撑，多依赖于过去的设计经验，通过采取大的安全系数保证足够刚度，常引起部分功能部件刚度过饱和，增加机床成本，还可能导致机床的动态性能变差，系统响应性变慢。因此，提出一种针对机床进给系统刚度匹配方法极为重要。
技术实现思路
本专利技术所要解决的技术问题是，提供一种能够提高机床设计效率、避免成本浪费，极大提高机床性能与加工质量的精密机床进给系统部件刚度的匹配方法。本专利技术所采用的技术方案是：一种精密机床进给系统部件刚度的匹配方法，包括如下步骤：1)建立整机误差模型，包括(1.1)定义机床特征及所述特征坐标系；(1.2)定义机床特征误差；(1.3)定义微分矢量误差传递矩阵；(1.4)根据微分矢量法建立整机误差模型；2)建立整机刚度模型，包括：(2.1)定义机床各部件刚度系数；(2.2)进行受力分析；(2.3)建立整机刚度模型；3)基于DOE的方法进行刚度灵敏度分析，包括：(3.1)确定各部件刚度范围；(3.2)数值化整机刚度模型；(3.3)进行刚度的灵敏度分析；4)执行多目标线性规划完成刚度匹配。步骤1)中所述的机床特征是指机床各部件结合面；所述的机床特征误差是指由于各部件变形引起结合面的位姿误差；所述的微分矢量误差传递矩阵是指各特征坐标系间的旋转矩阵和平移矩阵。步骤1)中所述的整机误差模型，是通过微分矢量法建立的关于整机X、Y、Z三向误差与各特征误差之间关系的模型；步骤2)中所述的机床各部件刚度系数的大小是机床各部件受力与变形的数值比，各部件刚度系数位于各部件的结合面上。步骤2)中所述的整机刚度模型是将各部件变形公式代入到整机误差模型中，定义X、Y、Z三向切削力为单位力，即得到关于各部件刚度系数的倒数与整机三向刚度倒数的关系式构成整机静刚度模型。步骤3)中所述的确定各部件刚度范围，是对各部件中的结构件通过建立不同尺寸的三维模型并进行有限元分析获得变形结果，得到各结构件刚度范围；对各部件中的功能部件，是通过查询各部件样本手册得到进给系统各部件刚度范围。步骤3)中所述的数值化整机刚度模型，是将机床各基本尺寸代入整机刚度模型中，将各部件刚度系数的倒数与整机三向刚度倒数分别设置为自变量和因变量，使整机刚度模型转换为线性的数学模型。步骤3)中所述的灵敏度分析，是将所述的各部件刚度范围和数值化整机刚度模型带入ISIGHT软件中，通过软件中的DOE模块和Calculator模块执行灵敏度分析，得到对整机三向刚度影响最大的部件。步骤4)所述的执行多目标线性规划完成刚度匹配，是将各部件刚度的倒数设置为设计变量，将刚度的灵敏度分析结果设置为多目标函数，将整机三向刚度的设定值设置为约束条件，将所述的各部件刚度范围转化为变量范围，采用理想点法完成多目标线性规划的求解。本专利技术的一种精密机床进给系统部件刚度的匹配方法，借助多目标线性规划方法，获得满足机床刚度设计要求的各功能部件刚度值，可实现进给系统刚度的理论化设计，提高设计效率、避免成本浪费，极大提高机床性能与加工质量，弥补我国机床进给系统设计理论的空白。本专利技术真正在理论上实现了机床刚度正向设计，降低了以往凭经验设计的刚度不足与刚度过剩的机率，提高了设计的可靠性。附图说明图1是机床各特征坐标系示意图；图2是导轨-滑块静刚度系数示意图；图3是前床身的相对位置尺寸示意图。具体实施方式下面结合实施例和附图对本专利技术的一种精密机床进给系统部件刚度的匹配方法做出详细说明。本专利技术的一种精密机床进给系统部件刚度的匹配方法，包括如下步骤：1)建立整机误差模型由于机床是由各部件通过固定结合面和滑动结合面相互连接的，当机床部件产生变形时，变形产生的误差会沿着各结合面进行传递和积累，共同决定机床整机误差状态。因此，将各部件之间的结合面定义为误差传递模型中的关键产品特征。建立整机误差模型包括(1.1)定义机床特征及所述特征坐标系，所述的机床特征是指机床各部件结合面；为推导整机变形误差模型，定义机床的各特征、特征坐标系OFi如图1所示，其中，OF0位于Z向四滑块表面所成矩形的几何中心处，OF1位于滑台与工作台接触面上，OF2位于工作台上表面，上述三个坐标系只是在Y向坐标上有差距；OF3位于工件代加工点上，OF4位于X向四滑块的XOZ面投影所成矩形的几何中心；OF5位于Y向四滑块表面所成矩形的几何中心，OF6位于主轴箱左端面圆心处，OF7位于主轴的左端面圆心处，OF8位于刀具的加工点处，上述四个坐标系只是在Z向坐标处有差距。(1.2)定义机床特征误差，所述的机床特征误差是指由于各部件变形引起结合面的位姿误差；定义各特征误差如下：床身与滑台1结合面处变形所致误差[δ0,ε0]T、滑台与工作台结合面处变形所致误差[δ1,ε1]T、工作台与工件结合面处变形所致误差[δ2,ε2]T、工件被加工点处变形所致误差[δ3,ε3]T、床身与立柱X向滑块结合面变形所致误差[δ4,ε4]T、主轴箱Y向滑块与立柱结合面变形所致误差[δ5,ε5]T、主轴与主轴箱结合面变形所致误差[δ6,ε6]T、刀具与主轴结合面变形所致误差[δ7,ε7]T、刀尖加工点处变形所致偏差[δ8,ε8]T。[δi,εi]T＝[Δxi,Δyi,Δzi,Δαi,Δβi,Δγi]T(i＝0,1,...,8)(1)其中，Δxi,Δyi,Δzi代表特征i沿x、y、z三个方向位移误差，Δαi,Δβi,Δγi代表特征i绕x、y、z三个轴的转角误差。(1.3)定义微分矢量误差传递矩阵，所述的微分矢量误差传递矩阵是指各特征坐标系间的旋转矩阵和平移矩阵，如表1所示。表1卧式加工中心矩阵表(1.4)根据微分矢量法建立整机误差模型，所述的整机误差模型，是通过微分矢量法建立的关于整机X、Y、Z三向误差与各特征误差之间关系的模型；由微分矢量误差建模方法可知，若装配体包含1，2，…，n等特征，则其发生变形时，由变形导致的误差[δi,εi]T(i＝1,2,…,n)将通过特征面进行传递积累，最终决定末端特征误差，末端特征n的误差状态[Pn,Qn]T为：其中，为3x3的旋转矩阵，为3x3的平移矩阵，xin、yin、zin为特征i与特征n的特征坐标系在x、y、z方向的距离向量。根据微分矢量误差建模法，建立相应的旋转矩阵、位移矩阵、位移误差及转角误差矩阵，即：δi,εi,(i＝0,1,...,3)和δj,εj,(j＝4,5,...,8)，从而得到Wi,3,(i＝0,1,...,3)和Wj,8,(j＝4,5,...,8)。结合公式(6)(7)(8)可得：刀具加工点处累积的误差为：工件上被加工点累积的误差为：精密卧式加工中心是由刀具链和本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种精密机床进给系统部件刚度的匹配方法，其特征在于，包括如下步骤：1)建立整机误差模型，包括(1.1)定义机床特征及所述特征坐标系；(1.2)定义机床特征误差；(1.3)定义微分矢量误差传递矩阵；(1.4)根据微分矢量法建立整机误差模型；2)建立整机刚度模型，包括：(2.1)定义机床各部件刚度系数；(2.2)进行受力分析；(2.3)建立整机刚度模型；3)基于DOE的方法进行刚度灵敏度分析，包括：(3.1)确定各部件刚度范围；(3.2)数值化整机刚度模型；(3.3)进行刚度的灵敏度分析；4)执行多目标线性规划完成刚度匹配。

【技术特征摘要】
1.一种精密机床进给系统部件刚度的匹配方法，其特征在于，包括如下步骤：1)建立整机误差模型，包括(1.1)定义机床特征及所述特征坐标系；(1.2)定义机床特征误差；(1.3)定义微分矢量误差传递矩阵；(1.4)根据微分矢量法建立整机误差模型；2)建立整机刚度模型，包括：(2.1)定义机床各部件刚度系数；(2.2)进行受力分析；(2.3)建立整机刚度模型；3)基于DOE的方法进行刚度灵敏度分析，包括：(3.1)确定各部件刚度范围；(3.2)数值化整机刚度模型；(3.3)进行刚度的灵敏度分析；4)执行多目标线性规划完成刚度匹配。2.根据权利要求1所述的一种精密机床进给系统部件刚度的匹配方法，其特征在于，步骤1)中所述的机床特征是指机床各部件结合面；所述的机床特征误差是指由于各部件变形引起结合面的位姿误差；所述的微分矢量误差传递矩阵是指各特征坐标系间的旋转矩阵和平移矩阵。3.根据权利要求1所述的一种精密机床进给系统部件刚度的匹配方法，其特征在于，步骤1)中所述的整机误差模型，是通过微分矢量法建立的关于整机X、Y、Z三向误差与各特征误差之间关系的模型。4.根据权利要求1所述的一种精密机床进给系统部件刚度的匹配方法，其特征在于，步骤2)中所述的机床各部件刚度系数的大小是机床各部件受力与变形的数值比，各部件刚度系数位于各部件的结合面上。5.根据权利要求1所述的一种精密机床进给系统部件刚度的匹配方法，其特征在于，步骤2)中所述的整机刚度模型是将各部件...

【专利技术属性】
技术研发人员：何改云，史盼盼，张大卫，孙光明，
申请(专利权)人：天津大学，
类型：发明
国别省市：天津,12