基于特征的機床精度優化設計方法
【技術領域】
[0001] 本發明屬于機床加工技術領域，設及機床設計技術，尤其是一種能夠指導機床設 計者進行精度設計的方法，具體為一種基于特征的機床精度優化設計方法。
【背景技術】
[0002] 機床精度參數是機床性能參數中重要的組成部分，很大程度上決定著所加工的產 品的質量水平。隨著機械制造企業對機床性能需求的不斷提高，高速、高精機床的研究和開 發將成為未來發展的方向，而機床的精度設計與優化等許多關鍵技術問題已經成為制約我 國機床整體性能提升和機床產品開發的瓶頸。
[0003]目前在實際機床設計制造過程中，機床精度設計主要依據經驗和標準值，缺乏有 效的指導依據，不能全面了解機床用戶對機床的性能需求。而機床制造企業希望能夠W最 低的成本達到用戶的加工精度要求，避免盲目的提高裝配精度來滿足用戶需求，造成精度 浪費和成本的提高。
[0004]目前針對機床精度設計已有相關研究與探索，并且取得了一定的進展，參考文獻1 提出一種利用空間矢量鏈模型建立機床零部件精度與刀具體積誤差的映射關系，解決了Ξ 軸并聯機床在已知刀具最大體積誤差情況下，零部件制造公差的精度設計;參考文獻2通過 層次分析法與實力推理技術獲得數控機床初始精度分配，并通過建立面向機床成本和可靠 性的機床精度的優化模型，利用遺傳算法求取精度分配方案的化reto最優解，完成對機床 精度分配。
[000引上述方法解決了在已知機床整體精度要求的情況下，機床零部件精度的分配問 題，但缺乏面向復雜零件加工精度的機床精度設計方法，不能直接針對零件加工要求進行 機床精度設計。
[0006]參考文獻1:黃田，王洋.面向制造的并聯機床精度設計[J].中國機械工程，1999， 10(10):1114-1118.
[0007]參考文獻2:徐徐.高檔數控機床精度分配設計與優化方法及應用研究[D].浙江大 學，2013.
【發明內容】
[0008]本發明要解決的技術問題是:針對目前機床廠家在機床設計過程中依賴經驗和標 準或反復試驗，周期長、工作量大等問題，提出了一種基于特征的機床精度優化設計方法， 直接利用零件的加工特征精度要求進行機床精度優化設計。
[0009]本發明的技術方案為:基于特征的機床精度優化設計方法，直接利用零件特征的 加工精度要求來進行機床精度優化設計，首先依據零件加工特征得到的零件特征的加工策 略，結合零件特征的加工精度要求與機床結構，建立零件特征的加工精度與機床精度的約 束關系，并利用成本信息建立優化設計目標函數，計算得到優化的機床精度設計參考值，建 立機床精度優化模型，完成機床精度優化;其中建立零件特征的加工精度與機床精度的約 束關系時，先根據機床結構構建機床精度與刀具位姿誤差間的關系，然后根據零件特征的 加工策略與零件特征的加工精度要求構建得到零件特征的加工精度要求與刀具位姿誤差 間的約束關系，最后W刀具位姿誤差為中間橋梁得到機床精度與零件特征加工精度要求間 的約束關系。
[0010] 所述根據機床結構構建機床精度與刀具位姿誤差間的關系具體為：
[0011] 分析機床結構信息，得到機床的運動鏈，構建出機床部件k和相鄰低等級機床部件 j之間的轉換矩陣壞，W及機床部件j相鄰低等級機床部件q之間的轉換矩陣F，即運動鏈 的轉換矩陣：
[0014] 打；、巧和片分別表示機床部件k相對于機床部件j的位置轉換矩陣、位置 誤差矩陣、運動轉換矩陣和運動誤差矩陣，^7；、妒和S馬g分別是機床部件j相對于機 床部件q的位置轉換矩陣、位置誤差矩陣、運動轉換矩陣和運動誤差矩陣;對于不相鄰的機 床部件時目對于機床部件9轉換矩陣貧，有打^=^；^^7'，其中位置誤差矩陣和運動誤差矩陣由 機床精度構成；
[0015]根據得到的機床部件間的轉換矩陣計算機床加工時由機床誤差導致的刀具位姿 誤差，包括刀具位置誤差[Ex，Ey，Ez]和刀具姿態誤差[Ei，&，Ek]，并W此建立機床誤差與刀 具位姿誤差間的關系，即機床精度與刀具位姿誤差間的關系表達式如下：
[0018] 其中Rw和Rt分別是刀位點在工件和切削刀具的坐標系下的位置坐標;Vw和Vt分別 是刀位點在工件和切削刀具的坐標系下的姿態坐標；Jr為工件到床身的轉換矩陣，·；7為 刀具到床身的轉換矩陣，根據運動鏈的轉換矩陣計算得到。
[0019]所述構建得到零件特征的加工精度要求與刀具位姿誤差間的約束關系具體為：
[0020] 根據不同特征的不同加工策略，對應構建需加工特征的加工精度要求與刀具位姿 誤差間的約束關系：
[0021] 根據刀具位姿誤差與特征的加工精度要求之間的幾何關系，計算每個特征的加工 精度要求相對于刀具位姿誤差的函數關系Nm化x，Ey，Ez，Ei，Ej，Ek)，m=l...n，n由具體的特 征精度要求數目決定，對于特征的加工精度要求T，則形成W下約束：
[0022] Nm巧x，Ey，Ez，Ei，Ej，Ek)<T。
[0023] 所述機床精度與零件特征加工精度要求間的約束關系具體為：
[0024]根據得到不同特征的加工精度要求相對與刀具位姿誤差的約束關系，W及機床精 度與刀具位姿誤差間的關系，由此得到機床精度與零件特征加工精度要求間的約束關系， 并參考機床精度規范或經驗提供的設計值范圍[era,erb]構建如下約束，r為機床精度幾何 誤差項數：
[0025]
[0026] 其中Xel，Xe2…Xer是機床精度的設計值。
[0027]所述利用成本信息建立優化設計目標函數具體為:采用機床精度成本函數作為優 化目標函數，首先選擇符合裝配誤差成本關系的幕指數的模型c(x)=a+b/x6作為機床精度 和成本之間的關系函數，其中X為機床某一項精度，a、b、e為機床精度模糊成本的系數，c(x) 為實現精度項X的裝配成本;其次，通過W下步驟確定模糊成本權重：
[0028] 1)W裝配調試時間表示模糊裝配成本，構建機床相鄰體間的模糊裝配成本權重 Wp：
[0029]
[0030] Τρ及Tu分別表示第P對、第U對機床相鄰體之間的裝配調試耗時，Τρ和Tu由實際中統 計得到，S表示機床相鄰體的總對數；
[0031] 2)計算每項機床精度的模糊成本權重，設第P對相鄰體共產生si項機床精度，則運 si項機床精度的模糊成本權重分別為：
[0032]
[0033]其中，α。表示在第P對相鄰體中第0個誤差的成本權重系數，αι表示在第P對相鄰體 中任意一個誤差的成本權重系數，〇。，〇1由實際中統計得到；
[0034]最后形成機床精度成本關系優化目標函數：
[0035]
[0036] 其中，Cost(x)為總的成本，C(xi)表示第I項機床精度的模糊成本;?為第I項機床 精度的分配值；
[0037]通過W上步驟W機床精度與特征加工精度間的約束為基礎，W數控機床各功能部 件之間的機床精度為設計變量，數控機床模糊精度成本最小為目標，設計機床設計要求和 用戶加工要求為約束，完成基于特征的機床精度設計優化模型的構建。
[0038]本發明提供了一種基于特征的機床精度優化設計方法，直接利用零件的加工特征 精度進行機床精度優化設計，解決了機床設計人員在機床設計過程中依賴經驗和標準或反 復試驗導致的周期長、