热作用下的精密机床装配尺寸链建立方法、系统及设备技术方案

本发明专利技术涉及高速、高精度数控机床技术领域，提供了一种热作用下的精密机床装配尺寸链建立方法、系统及设备，考虑机床几何误差与热误差间的影响关系，在确定各误差元素对刀尖点位置影响为相互抵消或累积的关系后，根据灵敏度，辨识关键误差元素。基于辨识到的关键误差元素与关键误差元素间的影响关系，建立机床装配尺寸链。该方法通过对机床进行有限元仿真，分离出机床几何误差与热误差，以此为基础建立机床空间误差模型，辨识影响机床刀尖点位置的关键误差元素并分析机床热误差与几何误差间的影响关系，判别机床装配尺寸链中各组成环的增减，从而合理分配机床零部件精度，提高机床热稳态下几何精度，降低制造成本。降低制造成本。降低制造成本。

【技术实现步骤摘要】
热作用下的精密机床装配尺寸链建立方法、系统及设备


[0001]本专利技术涉及高速、高精度数控机床
，具体为一种热作用下的精密 机床装配尺寸链建立方法、系统及设备。

技术介绍

[0002]高速、高精度数控机床是现代机床产业发展的主要方向，也是体现国家先 进制造水平的重要装备。随着加工精度要求的日益提高，高档数控机床的高精 度、可靠性与稳定性越来越受到关注。
[0003]数控机床在零件的制造、整机的装配以及使用过程中不可避免的会受到重 力、热的影响，使机床零件与理想状态相比产生变形，这些变形将导致零件上 的重要几何精度发生变化，最终导致整机几何精度发生变化。很多学者已经意 识到重力和热对公差设计的影响，通过在传统的装配尺寸链基础上增加一个组 成环，建立热作用下的装配尺寸链，该组成环的增减性与原组成环相同，此方 法建立的装配尺寸链中，热误差只会导致封闭环公差带变大，而不会使封闭环 公差带变小或者仅公差带位置变化。最终将只能通过紧缩零件公差带来抵消工 况的影响，从而大大增加制造成本。但是，热作用所产生的热变形对原始制造 误差的效果不一定与原组成环相同，即热变形尺寸链组成环符号与不一定与原 组成环相同，那么热变形尺寸链组成环对封闭环的贡献也不同，因此，必须考 虑其符号。

技术实现思路

[0004]针对现有技术中存在的问题，本专利技术提供一种热作用下的精密机床装配尺 寸链建立方法、系统及设备，该方法合理分配机床零部件精度，提高机床热稳 态下几何精度，降低制造成本。
[0005]本专利技术是通过以下技术方案来实现：
[0006]一种热作用下的精密机床装配尺寸链建立方法，包括如下步骤：
[0007]步骤1，根据机床结构建立机床空间误差模型；
[0008]步骤2，进行机床工况有限元仿真，并分离出机床几何误差与热误差；
[0009]步骤3，将步骤2所分离得到的机床几何误差与热误差代入步骤1中的机 床空间误差模型中，辨识获得关键误差元素以及获取机床几何误差与热误差之 间的影响关系；
[0010]步骤4，根据步骤3所辨识获得的关键误差元素，将关键误差元素转换为 零部件公差项，零部件公差项通过步骤3中所获取的机床几何误差与热误差之 间的影响关系建立机床装配尺寸链。
[0011]优选的，步骤1中，采用齐次坐标变换法根据机床结构建立机床空间误差 模型，步骤如下：
[0012]S1，将机床部件抽象为包含机床误差信息的刚体，建立各个刚体之间的拓 扑结构，绘出机床拓扑结构图；
[0013]S2，定义刀具、工件、主轴、直线轴X、直线轴Y、直线轴Z、床身以及 旋转轴的局部坐
标系，获取刀具到床身与工件到床身的运动链；
[0014]S3，利用刀尖点与被加工位置的偏差推导出机床空间误差模型。
[0015]优选的，步骤2中，机床工况有限元仿真的步骤如下：
[0016]K1，计算机床实际运行时所受重力载荷、热载荷、散热边界条件和约束条 件；
[0017]K2，将K1中所得到的机床实际运行时所受重力载荷、热载荷、散热边界 条件和约束条件作为有限元分析的边界条件，利用有限元软件根据重力载荷、 热载荷与散热量分析重力和热综合影响下机床变形，获得机床冷态和到达热平 衡态时，机床的床身、立柱及滑枕的导轨安装面、部件间结合面、刀尖点变形 量数据；
[0018]K3，根据机床冷态和到达热平衡态时，机床的床身、立柱及滑枕的导轨安 装面、部件间结合面、刀尖点变形量数据，分离出机床几何误差与热误差。
[0019]优选的，步骤3中，通过灵敏度分析辨识获得关键误差元素以及获取机床 几何误差与热误差之间的影响关系。
[0020]进一步的，灵敏度分析步骤如下：
[0021]L1，使用一阶灵敏度分析法对步骤1中建立的机床空间误差模型进行灵敏 度分析，获得各几何误差元素与热误差元素对刀尖点位置误差或刀具方向误差 的灵敏度；
[0022]L2，将L1中获得的几何误差元素与热误差元素对刀尖点位置误差或刀具 方向误差的灵敏度进行归一化处理。
[0023]进一步的，几何误差元素与热误差元素对刀尖点位置误差或刀具方向误差 的影响关系包括影响方向和影响大小，其中影响方向为各几何误差元素与热误 差元素的符号，影响大小为各几何误差元素与热误差元素的绝对值。
[0024]更进一步的，通过比较几何误差元素以及热误差元素对刀尖点位置误差或 刀具方向误差灵敏度绝对值的大小，可以辨识出影响刀尖点位置或刀具方向的 关键误差元素，其中几何误差元素包括垂直度、定位误差、直线度误差、角度 误差；热误差元素包括热作用造成的垂直度、定位误差、直线度误差、角度误 差；通过对比各误差元素的符号确定误差元素间的影响关系为相互抵消或累积。
[0025]一种热作用下的精密机床装配尺寸链建立系统，包括：
[0026]模型建立模块，用于根据机床结构建立机床空间误差模型；
[0027]有限元仿真模块，用于进行机床工况有限元仿真，并分离出机床几何误差 与热误差；
[0028]处理模块，用于所分离得到的机床几何误差与热误差代入机床空间误差模 型中，辨识获得关键误差元素以及获取机床几何误差与热误差之间的影响关系；
[0029]建立模块，用于根据所辨识获得的关键误差元素，将关键误差元素转换为 零部件公差项，零部件公差项通过所获取的机床几何误差与热误差之间的影响 关系建立机床装配尺寸链。
[0030]优选的，有限元仿真模块包括运行计算模块、获得模块以及分离模块；
[0031]计算模块，用于计算机床实际运行时所受重力载荷、热载荷、散热边界条 件和约束条件；
[0032]获得模块，用于将所得到的机床实际运行时所受重力载荷、热载荷、散热 边界条件和约束条件作为有限元分析的边界条件，利用有限元软件根据重力载 荷、热载荷与散热
量分析重力和热综合影响下机床变形，获得机床冷态和到达 热平衡态时，机床的床身、立柱及滑枕的导轨安装面、部件间结合面、刀尖点 变形量数据；
[0033]分离模块，用于根据机床冷态和到达热平衡态时，机床的床身、立柱及滑 枕的导轨安装面、部件间结合面、刀尖点变形量数据，分离出机床几何误差与 热误差。
[0034]一种热作用下的精密机床装配尺寸链建立设备，包括存储器、处理器以及 存储在所述存储器中并可在所述处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行 所述计算机程序时实现如上述所述一种热作用下的精密机床装配尺寸链建立方 法的步骤。
[0035]与现有技术相比，本专利技术具有以下有益的技术效果：
[0036]本专利技术提供了一种热作用下的精密机床装配尺寸链建立方法，考虑机床几 何误差与热误差间的影响关系，在确定各误差元素对刀尖点位置影响为相互抵 消或累积的关系后，根据灵敏度，辨识关键误差元素。基于辨识到的关键误差 元素与关键误差元素间的影响关系，建立机床装配尺寸链。该方法通过对机床 进行有限元仿真，分离出机床几何本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种热作用下的精密机床装配尺寸链建立方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤1，根据机床结构建立机床空间误差模型；步骤2，进行机床工况有限元仿真，并分离出机床几何误差与热误差；步骤3，将步骤2所分离得到的机床几何误差与热误差代入步骤1中的机床空间误差模型中，辨识获得关键误差元素以及获取机床几何误差与热误差之间的影响关系；步骤4，根据步骤3所辨识获得的关键误差元素，将关键误差元素转换为零部件公差项，零部件公差项通过步骤3中所获取的机床几何误差与热误差之间的影响关系建立机床装配尺寸链。2.根据权利要求1所述的一种热作用下的精密机床装配尺寸链建立方法，其特征在于，步骤1中，采用齐次坐标变换法根据机床结构建立机床空间误差模型，步骤如下：S1，将机床部件抽象为包含机床误差信息的刚体，建立各个刚体之间的拓扑结构，绘出机床拓扑结构图；S2，定义刀具、工件、主轴、直线轴X、直线轴Y、直线轴Z、床身以及旋转轴的局部坐标系，获取刀具到床身与工件到床身的运动链；S3，利用刀尖点与被加工位置的偏差推导出机床空间误差模型。3.根据权利要求1所述的一种热作用下的精密机床装配尺寸链建立方法，其特征在于，步骤2中，机床工况有限元仿真的步骤如下：K1，计算机床实际运行时所受重力载荷、热载荷、散热边界条件和约束条件；K2，将K1中所得到的机床实际运行时所受重力载荷、热载荷、散热边界条件和约束条件作为有限元分析的边界条件，利用有限元软件根据重力载荷、热载荷与散热量分析重力和热综合影响下机床变形，获得机床冷态和到达热平衡态时，机床的床身、立柱及滑枕的导轨安装面、部件间结合面、刀尖点变形量数据；K3，根据机床冷态和到达热平衡态时，机床的床身、立柱及滑枕的导轨安装面、部件间结合面、刀尖点变形量数据，分离出机床几何误差与热误差。4.根据权利要求1所述的一种热作用下的精密机床装配尺寸链建立方法，其特征在于，步骤3中，通过灵敏度分析辨识获得关键误差元素以及获取机床几何误差与热误差之间的影响关系。5.根据权利要求4所述的一种热作用下的精密机床装配尺寸链建立方法，其特征在于，灵敏度分析步骤如下：L1，使用一阶灵敏度分析法对步骤1中建立的机床空间误差模型进行灵敏度分析，获得各几何误差元素与热误差元素对刀尖点位置误差或刀具方向误差的灵敏度；L2，将L1中获得的几何误差元素与热误差元素对刀尖点位置误差或刀具方向误差的灵敏度进行归一化处理。6.根据权利要求4...

【专利技术属性】
技术研发人员：李旸，白寅明，刘辉，张会杰，赵万华，
申请(专利权)人：西安交通大学，
类型：发明
国别省市：