数控机床精度设计及其一致性产品信息模型研究

时间：2022-04-23 01:32:09

关键字：数控导轨磨床多体系统理论一致性产品信息模型

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[导读]摘要:基于多体系统理论,对数控机床精度建模及误差补偿等进行了分析,根据数控导轨磨床的拓扑结构,建立了含有21项几何误差的数控磨床综合几何误差模型,并对数控磨床精度进行了研究,为以后其他数控机床一致性产品信息模型的建模工作提供了理论基础。

引言

近年来,国内外专家学者虽然在数控机床精度建模以及误差补偿等方面进行了大量研究,但是并没有针对如何对总误差影响最大的零部件公差反映到数控机床整体精度模型上进行深入研究,也没有考虑数控机床零件各种形位公差与尺寸公差之间的相互耦合关系,因此无法实现由零部件公差驱动的数控机床静态精度设计,最终无法满足数控机床精度设计整体化和实用化需求。另外,传统的建模软件系统无法对数控机床整体进行完备的数据描述,也没有考虑精度建模过程中的信息需求以及模型系统标注信息储存等问题,因此亟需建立数控机床精度设计的一致性产品信息模型和数据库。

1多体系统理论的数控机床空间误差建模

图1所示为MKw5230A/3×160数控磨床的空间结构示意图,其中工作台沿x方向床身导轨做直线运动,活动横梁沿Z方向双立柱导轨做直线运动:在活动横梁上装有两个可沿y方向导轨做直线运动的垂直滑板:而垂直滑板上则分别安装有立式和卧式磨头。由于两个磨头在对应的垂直滑板内的运动行程都很小,它们的运动副误差对数控磨床的整体加工精度影响可以忽略不计,因此,本文将两个磨头与垂直滑板之间看作刚性连接,数控磨床的各体序号及低序体阵列分别如图2和表1所示。

式中,L是低序体算子,K、s均为低序体序列号,Ln（K）=s表示低序体为体K的n阶低序体。

1一床身;2一双立柱;3一活动横梁;4一立式竖直滑板;5一立式磨头;

6一卧式竖直滑板;7一卧式磨头;8一工作台;9一工件.

图2数控磨床空间拓扑结构

表1低序体阵列

K	1	2	3	4	5	6	7	8	9
L0（K）	1	2	3	4	5	6	7	8	9
L1（K）	0	1	2	3	4	3	6	1	8
L2（K）	0	0	1	2	3	2	3	0	1
L3（K）	0	0	0	1	2	1	2	0	0
L4（K）	0	0	0	0	1	0	1	0	0
L5（K）	0	0	0	0	0	0	0	0	0

由图2可知,由于立式、卧式磨头及其对应的竖直滑板在精度传递过程中的误差建模方法相同,因此本文以立式磨头为例进行讨论,数控磨床的误差传递路径有两条:床身—立式磨头分支和床身—工件分支。这里假设立式磨头与立式垂直滑板、工作台与工件、双立柱与床身均为刚性连接,即不存在几何误差,从而可以得到在床身—立式磨头分支中,立式磨头的加工点A在床身惯性坐标系（原点为床身导轨中心）中的坐标为:

式中,PEQ \* jc3 \* hps10 \o\al(\s\up 3(、PEQ \* jc3 \* hps10 \o\al(\s\up 3(分别表示加工点A在立式竖直滑板和床身惯性坐标系的坐标,PEQ \* jc3 \* hps10 \o\al(\s\up 3(=（vEQ \* jc3 \* hps10 \o\al(\s\up 3(（x）,vEQ \* jc3 \* hps10 \o\al(\s\up 3(（y）,vEQ \* jc3 \* hps10 \o\al(\s\up 3(（:）,1）T,PEQ \* jc3 \* hps10 \o\al(\s\up 3(=（vEQ \* jc3 \* hps10 \o\al(\s\up 3(（x）,vEQ \* jc3 \* hps10 \o\al(\s\up 3(（y）,vEQ \* jc3 \* hps10 \o\al(\s\up 3(（:）,1）T:T4/3、T3/2分别为立式竖直滑板相对于活动横梁在y方向运动的误差变换矩阵,活动横梁相对于双立柱在:方向运动的误差变换矩阵。

2数控机床的一致性产品信息模型建模

高端数控机床的产品建模是典型的复杂工程领域信息技术应用问题。高端数控机床结构复杂,精度要求高,产品研发涉及多个学科,其设计关注的核心技术是机床运动副拓扑结构及其精度性能。但传统的建模软件系统无法对机床整体进行完备的数据描述因此,需要建立符合产品信息一致性原理的新型数控机床模型。而高端数控机床的产品信息建模技术必须具有模型描述和软件架构的一致性才能适应此类复杂装备的多维信息及其精度链等专业技术问题的一致性表示和处理要求。

因此,建立数控磨床一致性产品信息模型首先需要解决以下几个方面的问题:1）如何反映数控磨床的拓扑结构关系和集成几何数据:2）如何体现数控磨床的精度特性,指导精度分配:3）如何建立用户友好界面指导用户使用。用于大规模装配设计的骨架模型技术具有快速设计与生成模型的特点,模型通过骨架参数表存储几何数据能够满足数据的重用与更新需求:同时由于数控磨床精度的专门性与复杂性,需要建立相应的精度分析与计算模块进行精度的优化与分配。本文结合骨架模型技术和精度分析与处理方法,建立数控机床一致性信息模型,如图3所示。

由图3可以看出,数控机床一致性产品信息模型主要体现在几何数据的一致性和精度数据的一致性两方面几何数据的一致性可以通过骨架模型技术实现,而实现精度数据的一致性首先需要建立与骨架参数表中含有的精度参数对应的数据库,用于三维标注与显示,再通过精度分析与优化模块,结合数控机床精度处理方法,利用骨架参数表中的尺寸参数,对数控机床精度进行求解与优化分配,最后生成相应的一致性产品信息模型报告。

骨架模型文件在系统中以.PRT文件保存。在该文件中,设计者通过定义参照实体勾画产品的形状、位置和主要结构等信息,并将其作为装配设计和零部件设计的参考。每次修改骨架中的非实体单元被改变的参数可以自动传递到零部件。本文所建立的数控磨床骨架模型参数初始值的设置,参照了华东数控有限公司提供的MKw5230A/3×160数控磨床的几何尺寸。

3结果分析

在结构树中选择优化分配"进入优化分配模块优化分配以成本模型为目标函数,选择一种建模方法得到的初始功能要求作为约束条件再选择相应的优化算法如遗传算法、蚁群算法等。在公差列表中,系统会自动生成公差选择对话框设置的公差初始值而用户可以修改各公差的变动范围相关参数设置完成后,选择运算开始对公差进行优化分配,精度优化分配结果如图4所示。