專利名稱：影響機(jī)床軌跡控制精度的形位公差分析方法和裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及虛擬設(shè)計(jì)技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及影響機(jī)床軌跡控制精度的形位公差分析
方法和裝置。
背景技術(shù)：
機(jī)床控制設(shè)計(jì)一般可以分為軌跡控制設(shè)計(jì)和順序控制設(shè)計(jì)兩個(gè)部分，在軌跡控制 設(shè)計(jì)中軌跡控制的精度是很重要的，而形位公差對(duì)軌跡控制的精度會(huì)產(chǎn)生重要的影響，形 位公差分析在機(jī)床設(shè)計(jì)中是很關(guān)鍵且難度較大的一部分。 在傳統(tǒng)技術(shù)中，公差分析通常是采用計(jì)算尺寸鏈的方法，靜態(tài)的分析機(jī)床零部件 加工或裝配等所產(chǎn)生的形位公狀和位置誤差對(duì)尺寸鏈的影響，而不能從動(dòng)態(tài)角度綜合分析 形位公差對(duì)機(jī)床軌跡控制精度的影響。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明實(shí)施例提供影響機(jī)床軌跡控制精度的形位公差分析方法和裝置，能夠分析 各零部件形位公差對(duì)機(jī)床動(dòng)態(tài)性能的影響。 —種影響機(jī)床軌跡控制精度的形位公差分析方法，包括
在機(jī)床的動(dòng)力學(xué)模型中為關(guān)鍵零部件設(shè)置待分析形位公差； 以機(jī)床的驅(qū)動(dòng)力矩為輸入信號(hào)，生成添加所述形位公差后的機(jī)床動(dòng)力學(xué)模型，再 由動(dòng)力學(xué)模型生成對(duì)應(yīng)的數(shù)學(xué)模型； 調(diào)用相應(yīng)的求解器對(duì)所述數(shù)學(xué)模型進(jìn)行求解，獲得所述形位公差所導(dǎo)致的機(jī)床運(yùn) 動(dòng)軌跡的偏差。 —種影響機(jī)床軌跡控制精度的形位公差分析裝置，包括 形位公差設(shè)置單元，用于在機(jī)床的動(dòng)力學(xué)模型中為關(guān)鍵零部件設(shè)置待分析形位公 差； 數(shù)學(xué)模型生成單元，用于以機(jī)床的驅(qū)動(dòng)力矩為輸入信號(hào)，生成添加所述形位公差 后的機(jī)床的動(dòng)力學(xué)模型對(duì)應(yīng)的數(shù)學(xué)模型； 求解單元，用于調(diào)用相應(yīng)的求解器對(duì)所述數(shù)學(xué)模型進(jìn)行求解，獲得所述形位公差 所導(dǎo)致的機(jī)床運(yùn)動(dòng)軌跡的偏差。 本發(fā)明實(shí)施例通過在計(jì)算機(jī)內(nèi)建立機(jī)床的動(dòng)力學(xué)模型，可以根據(jù)動(dòng)力學(xué)模型分析 零部件形位公差對(duì)機(jī)床動(dòng)態(tài)性能(如機(jī)床軌跡控制精度)的影響。另外，本發(fā)明實(shí)施例還 具有較好的通用性，能夠針對(duì)裝配體分析多種不同形位公差(如直線度、平面度、不平行度 等)，并且由于避開了傳統(tǒng)手工計(jì)算、分析公差尺寸鏈的方法，因此可以縮短機(jī)床的設(shè)計(jì)時(shí) 間，節(jié)約設(shè)計(jì)成本。


圖1是本發(fā)明形位公差分析方法實(shí)施例的流程 圖2是本發(fā)明實(shí)施例中機(jī)床三維數(shù)字化模型的示意圖； 圖3是本發(fā)明實(shí)施例中機(jī)床三維數(shù)字化模型中Z軸部分的示意圖； 圖4是本發(fā)明實(shí)施例中機(jī)床三維數(shù)字化模型的補(bǔ)充示意圖； 圖5是本發(fā)明實(shí)施例中機(jī)床三維數(shù)字化模型連接拓?fù)錁?gòu)型圖，其中Hl-H6依次分 別表示固定聯(lián)接、平面副、柔性連接、轉(zhuǎn)動(dòng)副、螺母副和移動(dòng)副，2x、4x和12x依次表示零部 件共2、4和12個(gè)； 圖6是本發(fā)明實(shí)施例中機(jī)床動(dòng)力學(xué)模型的示意圖； 圖7是本發(fā)明實(shí)施例中機(jī)床動(dòng)力學(xué)模型的補(bǔ)充示意圖； 圖8是本發(fā)明實(shí)施例中機(jī)床動(dòng)力學(xué)模型中Z軸部分的示意圖； 圖9是本發(fā)明實(shí)施例中形位公差取不同值時(shí)所導(dǎo)致的機(jī)床運(yùn)動(dòng)軌跡偏差的示例
具體實(shí)施例方式
下面對(duì)本發(fā)明所提供的影響機(jī)床軌跡控制精度的形位公差分析方法和裝置的推 薦實(shí)施例進(jìn)行描述。 參考圖l，本發(fā)明影響機(jī)床軌跡控制精度的形位公差分析方法實(shí)施例包括 Al、在機(jī)床的動(dòng)力學(xué)模型中為關(guān)鍵零部件設(shè)定待分析形位公差。 形位公差具有公差值可調(diào)整、公差帶方向變化等特點(diǎn)。本發(fā)明實(shí)施例中，可以根據(jù)
實(shí)際工況，實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)床上不同的零部件上的不同形位公差(如直線度、不平行度、同軸度、
平面度等)進(jìn)行分析，所有形位公差可以組成一個(gè)形位公差組，可以每次指定其中的單個(gè)
或多個(gè)形位公差進(jìn)行分析。在對(duì)所指定的形位公差進(jìn)行分析時(shí)，可以在機(jī)床的動(dòng)力學(xué)模型
中僅設(shè)置所述被指定的形位公差，其優(yōu)點(diǎn)是只需要關(guān)注所指定的形位公差，實(shí)現(xiàn)簡單，可以
減少分析過程中的計(jì)算量，提高處理速度。此外，也可以在機(jī)床的動(dòng)力學(xué)模型中設(shè)置形位公
差組中的所有形位公差，而僅分析所指定的形位公差，其優(yōu)點(diǎn)是在分析過程中能夠模擬出
各形位公差之間的相互作用，使得分析結(jié)果更逼近真實(shí)。 其中，參考圖2至圖8，可以通過以下步驟根據(jù)實(shí)際裝配工藝建立機(jī)床的動(dòng)力學(xué)模 型 首先，建立機(jī)床的三維數(shù)字化裝配模型； 精密機(jī)床能實(shí)現(xiàn)x、 y、 z三方向的精準(zhǔn)定位，它由三類組成，基礎(chǔ)件、標(biāo)準(zhǔn)件、功能
件?；A(chǔ)件包括工作臺(tái)、電機(jī)座等；標(biāo)準(zhǔn)件包括導(dǎo)軌、絲杠等，數(shù)字化模型應(yīng)包括完整的機(jī)
床零部件幾何信息、零部件相對(duì)空間位置信息、零部件材料信息等。可以根據(jù)廠商提供的相
關(guān)資料對(duì)標(biāo)準(zhǔn)件進(jìn)行三維建模。標(biāo)準(zhǔn)件數(shù)字模型與實(shí)物具有一致的外形尺寸，另外根據(jù)實(shí) 物材質(zhì)添加質(zhì)量屬性，含有質(zhì)量信息的數(shù)模在重量、質(zhì)心位置、慣量等物理特性方面與實(shí)物
保持一致。對(duì)于基礎(chǔ)件的幾何建模，需要設(shè)計(jì)部門根據(jù)實(shí)現(xiàn)功能自行設(shè)計(jì)，該部分零件參數(shù)
化模型容易獲得。多種功能元件、標(biāo)準(zhǔn)件、基礎(chǔ)件參數(shù)化模型按設(shè)計(jì)工藝在軟件環(huán)境中完成
虛擬裝配，裝配后模型需要檢查零部件相互位置關(guān)系、有無設(shè)計(jì)缺陷，是否存在相互干涉現(xiàn)
象、整機(jī)重量是否符合要求等內(nèi)容。 其次，為所述裝配模型設(shè)置運(yùn)動(dòng)鉸。 在動(dòng)力學(xué)軟件環(huán)境中輸入機(jī)床的三維數(shù)字化裝配模型，按機(jī)床運(yùn)動(dòng)軌跡給數(shù)字化模型設(shè)置移動(dòng)副、旋轉(zhuǎn)副、平面副、螺紋副、固定副等運(yùn)動(dòng)鉸，添加運(yùn)動(dòng)鉸后的動(dòng)力學(xué)模型可 以實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真，由仿真結(jié)果檢查機(jī)床運(yùn)動(dòng)鉸是否設(shè)置合理。 機(jī)床運(yùn)動(dòng)鉸設(shè)置完成后，在模型需要處設(shè)置柔性聯(lián)接，增加力元和外力等要素，力 元大小、方向按實(shí)際裝配工藝添加。力元設(shè)置完成后，機(jī)床動(dòng)力學(xué)模型已基本建立。之后可 以在動(dòng)力學(xué)模型上設(shè)置摩擦力、形位公差等參數(shù)。 A2、以機(jī)床的驅(qū)動(dòng)力矩為輸入信號(hào)，生成添加所述形位公差后的機(jī)床動(dòng)力學(xué)模型， 再由動(dòng)力學(xué)模型生成對(duì)應(yīng)的數(shù)學(xué)模型。 其中，可以在模型內(nèi)部通過施加擾動(dòng)的方法實(shí)現(xiàn)形位公差的設(shè)置。 A3、調(diào)用相應(yīng)的求解器對(duì)所述數(shù)學(xué)模型進(jìn)行求解，獲得機(jī)床運(yùn)動(dòng)軌跡偏差，該偏差
由零部件所設(shè)置的形位公差引起。 A4、根據(jù)機(jī)床運(yùn)動(dòng)軌跡，對(duì)引起運(yùn)動(dòng)軌跡偏差的形位公差進(jìn)行分析。 本發(fā)明實(shí)施例通過在計(jì)算機(jī)內(nèi)建立機(jī)床的分析動(dòng)力學(xué)模型，可以根據(jù)動(dòng)力學(xué)模型
分析零部件的形位公差對(duì)機(jī)床動(dòng)態(tài)性能(如機(jī)床軌跡控制精度)的影響。另外，本發(fā)明實(shí)施
例還具有較好的通用性，能夠分析多種不同的形位公差(如直線度、平面度、不平行度等)，
并且由于避開了傳統(tǒng)手工計(jì)算、分析公差尺寸鏈的方法，因此可以縮短機(jī)床的設(shè)計(jì)時(shí)間，節(jié)
約設(shè)計(jì)成本。 在本發(fā)明形位公差分析方法實(shí)施例中，在獲得所述形位公差所導(dǎo)致的機(jī)床運(yùn)動(dòng)軌 跡的偏差后，可以直接顯示所獲得的偏差值，也可以根據(jù)所獲得的偏差值繪制出機(jī)床運(yùn)動(dòng) 軌跡偏差的圖形(如圖9所示，圖中的曲線1、2、3分別表示所分析的形位公差導(dǎo)軌不平行 度在取三個(gè)不同的值時(shí)，分別導(dǎo)致的機(jī)床動(dòng)態(tài)軌跡的偏差)，以供設(shè)計(jì)人員進(jìn)一步分析該形 位公差對(duì)機(jī)床軌跡控制精度的影響。 在本發(fā)明形位公差分析方法實(shí)施例中，在獲得所述形位公差所導(dǎo)致的機(jī)床運(yùn)動(dòng)軌
跡的偏差后，還可以根據(jù)所獲得的偏差對(duì)所述形位公差對(duì)機(jī)床軌跡控制精度的影響程度進(jìn)
行自動(dòng)分析。例如，可以預(yù)先設(shè)置機(jī)床運(yùn)動(dòng)軌跡的偏差值與形位公差對(duì)機(jī)床軌跡控制精度
的影響等級(jí)的對(duì)應(yīng)關(guān)系，根據(jù)該對(duì)應(yīng)關(guān)系，可以確定與所獲得的偏差對(duì)應(yīng)的影響等級(jí)并顯
示，使設(shè)計(jì)人員能夠直接了解到該形位公差對(duì)機(jī)床軌跡控制精度的影響。 對(duì)形位公差組中的各形位公差分別進(jìn)行分析后，可以獲得各形位公差各自對(duì)機(jī)床
運(yùn)動(dòng)軌跡控制精度的影響，進(jìn)而確定對(duì)機(jī)床運(yùn)動(dòng)軌跡控制精度影響比較大的形位公差及其
影響程度。根據(jù)該結(jié)果可以重新優(yōu)化、分配機(jī)床零部件的形位公差帶，實(shí)現(xiàn)機(jī)床軌跡控制精
度最佳、零部件易于加工和裝配這一目標(biāo)。 本發(fā)明還提供影響機(jī)床軌跡控制精度的形位公差分析裝置的實(shí)施例，該裝置包 括 形位公差設(shè)置單元，用于在機(jī)床的動(dòng)力學(xué)模型中為關(guān)鍵零部件設(shè)置待分析形位公 差； 數(shù)學(xué)模型生成單元，用于以機(jī)床的驅(qū)動(dòng)力矩為輸入信號(hào)，生成添加所述形位公差 后的機(jī)床的動(dòng)力學(xué)模型對(duì)應(yīng)的數(shù)學(xué)模型； 求解單元，用于調(diào)用相應(yīng)的求解器對(duì)所述數(shù)學(xué)模型進(jìn)行求解，獲得所述形位公差 所導(dǎo)致的機(jī)床運(yùn)動(dòng)軌跡的偏差。 在本發(fā)明形位公差分析裝置的更多實(shí)施例中，所述形位公差分析裝置還可以包括裝配模型建立單元，用于建立機(jī)床的三維數(shù)字化裝配模型；以及動(dòng)力學(xué)模型建立單元， 用于建立所述三維數(shù)字化裝配模型的動(dòng)力學(xué)模型，其中建立所述三維裝配模型的動(dòng)力學(xué)模 型具體包括為所述虛擬裝配模型設(shè)置運(yùn)動(dòng)鉸；以及在模型需要處設(shè)置柔性聯(lián)接，增加力 元和外力。 在本發(fā)明形位公差分析裝置的更多實(shí)施例中，所述形位公差分析裝置還可以包 括分析單元，用于根據(jù)所獲得的偏差對(duì)所述形位公差對(duì)機(jī)床軌跡控制精度的影響程度進(jìn) 行自動(dòng)分析。例如，可以預(yù)先設(shè)置機(jī)床運(yùn)動(dòng)軌跡的偏差值與形位公差對(duì)機(jī)床軌跡控制精度 的影響等級(jí)的對(duì)應(yīng)關(guān)系，根據(jù)該對(duì)應(yīng)關(guān)系，可以確定與所獲得的偏差對(duì)應(yīng)的影響等級(jí)并顯 示，使設(shè)計(jì)人員能夠直接了解到該形位公差對(duì)機(jī)床軌跡控制精度的影響。 在獲得所述形位公差所導(dǎo)致的機(jī)床運(yùn)動(dòng)軌跡的偏差后，可以直接顯示所獲得的偏 差值，也可以根據(jù)所獲得的偏差值繪制出機(jī)床運(yùn)動(dòng)軌跡偏差的圖形，以供設(shè)計(jì)人員進(jìn)一步 分析該形位公差對(duì)機(jī)床軌跡控制精度的影響。 對(duì)形位公差組中的各形位公差分別進(jìn)行分析后，可以獲得各形位公差各自
對(duì)機(jī)床運(yùn)動(dòng)軌跡控制精度的影響，進(jìn)而確定對(duì)機(jī)床運(yùn)動(dòng)軌跡控制精度影響比較大 的形位公差及其影響程度。根據(jù)該結(jié)果可以重新優(yōu)化、分配機(jī)床零部件的形位公差帶，實(shí)現(xiàn) 機(jī)床軌跡控制精度最佳、零部件易于加工和裝配這一 目標(biāo)。 綜上，本發(fā)明實(shí)施例通過在計(jì)算機(jī)內(nèi)建立機(jī)床的虛擬裝配模型，基于合理裝配構(gòu) 架，建立分析動(dòng)力學(xué)模型，根據(jù)動(dòng)力學(xué)模型進(jìn)行形位公差的分析，根據(jù)分析結(jié)果優(yōu)化形位公 差的設(shè)置，以便協(xié)調(diào)零部件在使用要求、制造成本及裝配工藝之間的矛盾。本發(fā)明實(shí)施例 與傳統(tǒng)公差分析方法相比，能分析機(jī)床動(dòng)態(tài)條件下，零部件多種形位公差對(duì)機(jī)床動(dòng)態(tài)性能 (如機(jī)床軌跡控制精度)的影響。另外，本發(fā)明實(shí)施例還具有較好的通用性，能夠分析多種 不同的形位公差(如直線度、平面度、不平行度等)，并且由于避開了傳統(tǒng)手工計(jì)算、分析公 差尺寸鏈的方法，因此可以縮短機(jī)床的設(shè)計(jì)時(shí)間，節(jié)約設(shè)計(jì)成本。 以上對(duì)本發(fā)明實(shí)施例所提供的影響機(jī)床軌跡控制精度的形位公差分析方法和裝 置進(jìn)行了詳細(xì)介紹，本文中應(yīng)用了具體個(gè)例對(duì)本發(fā)明的原理及實(shí)施方式進(jìn)行了闡述，以上 實(shí)施例的說明只是用于幫助理解本發(fā)明的方法及其核心思想；同時(shí)，對(duì)于本領(lǐng)域的一般技 術(shù)人員，依據(jù)本發(fā)明的思想，在具體實(shí)施方式
及應(yīng)用范圍上均會(huì)有改變之處，綜上所述，本 說明書內(nèi)容不應(yīng)理解為對(duì)本發(fā)明的限制。
權(quán)利要求
一種影響機(jī)床軌跡控制精度的形位公差分析方法，其特征在于，包括在機(jī)床的動(dòng)力學(xué)模型中為關(guān)鍵零部件設(shè)置待分析形位公差；以機(jī)床的驅(qū)動(dòng)力矩為輸入信號(hào)，生成添加所述形位公差后的機(jī)床動(dòng)力學(xué)模型，再由動(dòng)力學(xué)模型生成對(duì)應(yīng)的數(shù)學(xué)模型；調(diào)用相應(yīng)的求解器對(duì)所述數(shù)學(xué)模型進(jìn)行求解，獲得所述形位公差所導(dǎo)致的機(jī)床運(yùn)動(dòng)軌跡的偏差。
2. 如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述待分析形位公差具體是從包括多個(gè)待 分析形位公差的形位公差組中被指定的單個(gè)或多個(gè)形位公差。
3. 如權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于，在機(jī)床的動(dòng)力學(xué)模型中僅設(shè)置所述被指定 的形位公差；或者在動(dòng)力學(xué)模型中還設(shè)置所述形位公差組中的其他形位公差。
4. 如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，通過以下方法建立所述機(jī)床動(dòng)力學(xué)模型 建立機(jī)床的三維數(shù)字化裝配模型； 為所述數(shù)字化裝配模型設(shè)置運(yùn)動(dòng)鉸；在模型需要處設(shè)置柔性聯(lián)接，增加力元和外力。
5. 如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，在模型內(nèi)部通過施加擾動(dòng)的方法實(shí)現(xiàn)形位 公差的設(shè)置。
6. 如權(quán)利要求1至5任一項(xiàng)所述的方法，其特征在于，獲得所述形位公差所導(dǎo)致的機(jī)床 運(yùn)動(dòng)軌跡的偏差后還包括根據(jù)所獲得的偏差對(duì)所述形位公差對(duì)機(jī)床軌跡控制精度的影響 程度進(jìn)行自動(dòng)分析。
7. 如權(quán)利要求6所述的方法，其特征在于，根據(jù)所獲得的偏差對(duì)所述形位公差對(duì)機(jī)床 軌跡控制精度的影響程度進(jìn)行自動(dòng)分析具體包括在預(yù)置的偏差值與影響等級(jí)的對(duì)應(yīng)關(guān)系中，確定與所獲得的偏差對(duì)應(yīng)的影響等級(jí)，并 顯示該影響等級(jí)。
8. —種影響機(jī)床軌跡控制精度的形位公差分析裝置，其特征在于，包括 形位公差設(shè)置單元，用于在機(jī)床的動(dòng)力學(xué)模型中為關(guān)鍵零部件設(shè)置待分析形位公差； 數(shù)學(xué)模型生成單元，用于以機(jī)床的驅(qū)動(dòng)力矩為輸入信號(hào)，生成添加所述形位公差后的機(jī)床的動(dòng)力學(xué)模型對(duì)應(yīng)的數(shù)學(xué)模型；求解單元，用于調(diào)用相應(yīng)的求解器對(duì)所述數(shù)學(xué)模型進(jìn)行求解，獲得所述形位公差所導(dǎo)致的機(jī)床運(yùn)動(dòng)軌跡的偏差。
9. 根據(jù)權(quán)利要求8所述的裝置，其特征在于，所述裝置還包括 裝配模型建立單元，用于建立機(jī)床的三維數(shù)字化裝配模型；動(dòng)力學(xué)模型建立單元，用于建立所述三維數(shù)字化裝配模型的動(dòng)力學(xué)模型，其中建立所 述三維裝配模型的動(dòng)力學(xué)模型具體包括為所述虛擬裝配模型設(shè)置運(yùn)動(dòng)鉸；以及在模型需 要處設(shè)置柔性聯(lián)接，增加力元和外力。
10. 根據(jù)權(quán)利要求8或9所述的裝置，其特征在于，所述裝置還包括分析單元，用于根 據(jù)所獲得的偏差對(duì)所述形位公差對(duì)機(jī)床軌跡控制精度的影響程度進(jìn)行自動(dòng)分析。
全文摘要
本發(fā)明涉及虛擬設(shè)計(jì)技術(shù)領(lǐng)域，公開了影響機(jī)床軌跡控制精度的形位公差分析方法和裝置。所述方法包括在機(jī)床的動(dòng)力學(xué)模型中為關(guān)鍵零部件設(shè)置待分析形位公差；以機(jī)床的驅(qū)動(dòng)力矩為輸入信號(hào)，生成添加所述形位公差后的機(jī)床動(dòng)力學(xué)模型，再由動(dòng)力學(xué)模型生成對(duì)應(yīng)的數(shù)學(xué)模型；調(diào)用相應(yīng)的求解器對(duì)所述數(shù)學(xué)模型進(jìn)行求解，獲得所述形位公差所導(dǎo)致的機(jī)床運(yùn)動(dòng)軌跡的偏差。本發(fā)明實(shí)施例能夠分析各零部件形位公差對(duì)機(jī)床動(dòng)態(tài)性能的影響。
文檔編號(hào)G01B21/00GK101713643SQ200810216689
公開日2010年5月26日 申請(qǐng)日期2008年10月7日 優(yōu)先權(quán)日2008年10月7日
發(fā)明者宋福民, 肖俊君, 高云峰 申請(qǐng)人:深圳市大族激光科技股份有限公司;深圳市大族數(shù)控科技有限公司