一種考慮測量與調(diào)整工藝的精密機床公差設(shè)計方法
【專利說明】一種考慮測量與調(diào)整工藝的精密機床公差設(shè)計方法 【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于機械設(shè)計領(lǐng)域，具體涉及一種考慮測量與調(diào)整工藝的精密機床公差設(shè) 計方法。 【【背景技術(shù)】】
[0002] 機床精度性能是機床設(shè)計的基本指標，是通過設(shè)計、制造、裝配綜合保障的。然而 我國目前的機床精度設(shè)計中無法擺脫對經(jīng)驗的依賴，主要通過類比和查詢手冊的方法進行 公差設(shè)計和裝配工藝規(guī)劃。缺乏準確、可靠的公差分析與裝配工藝規(guī)劃設(shè)計工具。為使設(shè) 計成功的把握性有所提高，往往經(jīng)過企業(yè)的反復(fù)試制，設(shè)計師反復(fù)修改才能定型，從而錯過 將新開發(fā)產(chǎn)品推向市場的良機且增加了制造成本。 【
【發(fā)明內(nèi)容】
】
[0003] 本發(fā)明的目的在于針對現(xiàn)有機床公差設(shè)計過程中依賴工程師經(jīng)驗、以及精度不足 與精度過剩的問題，提供一種考慮測量與調(diào)整工藝的精密機床公差設(shè)計方法，該方法能夠 對機床公差進行準確、可靠的分析，從而保障機床的精度性能。
[0004] 為達到上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案為：
[0005] -種考慮測量與調(diào)整工藝的精密機床公差設(shè)計方法，包括以下步驟：
[0006] 1)將機床簡化為基礎(chǔ)大件，確定機床基礎(chǔ)大件的關(guān)鍵特征面，并以關(guān)鍵特征面為 基礎(chǔ)，借助零部件的名義或?qū)嶋H方位建立局部坐標系；同時根據(jù)機床的拓撲結(jié)構(gòu)及裝配工 藝過程，確定基本系數(shù)矩陣、調(diào)整系數(shù)矩陣及觀測矩陣，建立狀態(tài)空間方程；
[0007] 2)根據(jù)市場調(diào)研及制造企業(yè)自身加工水平，確定精度成本矩陣、調(diào)整成本權(quán)重矩 陣及精度指標權(quán)重矩陣，建立成本目標函數(shù)；并通過離散系統(tǒng)輸出調(diào)節(jié)器，結(jié)合零部件誤 差，利用卡爾曼濾波方法得到調(diào)整序列；
[0008] 3)將狀態(tài)空間方程改寫為高斯馬爾科夫隨機過程方程，根據(jù)高斯馬爾科夫隨機過 程方程得到協(xié)方差矩陣，然后根據(jù)裝配工藝過程迭代求解，得到整體裝配完成后的協(xié)方差 矩陣；
[0009] 4)利用整體裝配完成后的協(xié)方差矩陣，結(jié)合方差合成公式，得到機床總的精度指 標與零部件偏差的函數(shù)關(guān)系f;
[0010] 5)建立精度總成本與零部件精度指標之間的函數(shù)關(guān)系式W，并以此為目標函數(shù)， 以函數(shù)關(guān)系f?為約束條件，得到零部件公差分配結(jié)果，完成機床公差設(shè)計。
[0011] 所述步驟1)中的基礎(chǔ)大件包括床身、立柱、滑座、主軸箱、滑鞍和工作臺，所述的 關(guān)鍵特征面包括基礎(chǔ)大件的安裝、連接表面以及末端表面。
[0012] 所述步驟1)中的基本系數(shù)矩陣為A(k)、B(k)和F(k)，調(diào)整系數(shù)矩陣為T(k)，觀測 矩陣為C(k)，建立的狀態(tài)空間方程如式（1)所示，
【主權(quán)項】
1. 一種考慮測量與調(diào)整工藝的精密機床公差設(shè)計方法，其特征在于，包括w下步驟： 1) 將機床簡化為基礎(chǔ)大件，確定機床基礎(chǔ)大件的關(guān)鍵特征面，并W關(guān)鍵特征面為基礎(chǔ)， 借助零部件的名義或?qū)嶋H方位建立局部坐標系；同時根據(jù)機床的拓撲結(jié)構(gòu)及裝配工藝過 程，確定基本系數(shù)矩陣、調(diào)整系數(shù)矩陣及觀測矩陣，建立狀態(tài)空間方程； 2) 根據(jù)市場調(diào)研及制造企業(yè)自身加工水平，確定精度成本矩陣、調(diào)整成本權(quán)重矩陣及 精度指標權(quán)重矩陣，建立成本目標函數(shù)；并通過離散系統(tǒng)輸出調(diào)節(jié)器，結(jié)合零部件誤差，利 用卡爾曼濾波方法得到調(diào)整序列； 3) 將狀態(tài)空間方程改寫為高斯馬爾科夫隨機過程方程，根據(jù)高斯馬爾科夫隨機過程 方程得到協(xié)方差矩陣，然后根據(jù)裝配工藝過程迭代求解，得到整體裝配完成后的協(xié)方差矩 陣； 4) 利用整體裝配完成后的協(xié)方差矩陣，結(jié)合方差合成公式，得到機床總的精度指標與 零部件偏差的函數(shù)關(guān)系f; 5) 建立精度總成本與零部件精度指標之間的函數(shù)關(guān)系式W，并W此為目標函數(shù)，W函 數(shù)關(guān)系f為約束條件，得到零部件公差分配結(jié)果，完成機床公差設(shè)計。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的考慮測量與調(diào)整工藝的精密機床公差設(shè)計方法，其特征在 于：所述步驟1)中的基礎(chǔ)大件包括床身、立柱、滑座、主軸箱、滑鞍和工作臺，所述的關(guān)鍵特 征面包括基礎(chǔ)大件的安裝、連接表面W及末端表面。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的考慮測量與調(diào)整工藝的精密機床公差設(shè)計方法，其特征在 于：所述步驟1)中的基本系數(shù)矩陣為A化)、B化）和F化)，調(diào)整系數(shù)矩陣為T化)，觀測矩陣 為〇化)，建立的狀態(tài)空間方程如式（1)所示，
其中A(k)為第k步裝配時的常數(shù)矩陣，F(xiàn)(k)為將第k個零件裝配中的誤差由第k個 零件坐標系向基礎(chǔ)坐標系轉(zhuǎn)換的6X6矩陣，太(A)表示在基準傳遞鏈中第k個零件裝配特 征面坐標系的位置與方位相對于其名義位姿的總偏差，&作）為第k個零件進行裝配時實際 位姿相對于名義位姿在零件坐標系中的偏差，義壞+ 1)為第k個零件裝配完成后的整體狀 態(tài)相對于基礎(chǔ)坐標系的總偏差累積6X1矢量，B(k)為誤差調(diào)整矢量!^作）由第k個零件 的零件坐標系到基礎(chǔ)坐標系的轉(zhuǎn)換矩陣，C(k)為第k步裝配完成后的rX6的元素為0或 1的輸出矩陣，vW為第k步裝配完成后的rX1 (r《6)的輸出矢量，W0為第k步裝配時 的噪聲，為誤差調(diào)整矢量，0《k《N，N為裝配總步數(shù)或裝配零件總個數(shù)。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的考慮測量與調(diào)整工藝的精密機床公差設(shè)計方法，其特征在 于：所述步驟2)中的精度成本矩陣為S，調(diào)整成本權(quán)重矩陣為R化)，精度指標權(quán)重矩陣為 Q化)，建立的成本目標函數(shù)J如式（2)所示，
通過下式計算得到調(diào)整序列： u*化）=-K化)X化） 其中，列W)為整體裝配完成后的rX1 (r《6)的輸出矢量，上標T表示轉(zhuǎn)置，KA-)為第k步裝配完成后的rXl(r《6)的輸出矢量，0《k《N，N為裝配總步數(shù)，Q(k)為第k步 裝配完成后的精度指標權(quán)重矩陣，WA)為第k步裝配過程控制中描述配合特征誤差調(diào)整的 6X1矢量，R(k)為第k步裝配過程中的調(diào)整成本權(quán)重矩陣，X(k)是第k步裝配完成后的總 偏差，u*(k)是調(diào)整序列，K(k)是卡爾曼增益系數(shù)。
5. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的考慮測量與調(diào)整工藝的精密機床公差設(shè)計方法，其特征在 于：所述的卡爾曼增益系數(shù)K(k)通過下式計算得到： K化）=巧化)+BT化)P化+1)B化)]-ibt化)P化+1)A化） P化）=Q似+AT似P化+1) [I+B似R-1似護似P化+1) ]-iA化） 其中，R(k)為第k步裝配過程中的調(diào)整成本權(quán)重矩陣，B(k)為誤差調(diào)整矢量;由 第k個零件的零件坐標系到基礎(chǔ)坐標系的轉(zhuǎn)換矩陣，》s'(/〇為誤差調(diào)整矢量，A(k)為第k步 裝配時的常數(shù)矩陣，上標T表示轉(zhuǎn)置，Q化）為第k步裝配完成后的精度指標權(quán)重矩陣，I是 單位矩陣，P化)、P化+1)分別為第k步和第k+1步的Ricatti方程，0《k《N，N為裝配總 步數(shù)或裝配零件總個數(shù)。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的考慮測量與調(diào)整工藝的精密機床公差設(shè)計方法，其特征在 于：所述步驟3)中的高斯馬爾科夫隨機過程方程如式（3)所示， 又,(k) =A(k)X(k) +F(k)&(k) 乂(A: + 0 = [/ -公(A')r(A:)(叫]乂,(叫（3 ) 協(xié)方差矩陣如式（4)所示， 町化）=AT化)D化)A化)+F化)V化)pT化） D化+1) = [I-B化)T化)K化)]Di化）[I-B化)T化)K化)]T (4) 其中X(/〇是第k步裝配并調(diào)整完成后的總偏差，A(k)為第k步裝配時的常數(shù)矩陣， 上標T表示轉(zhuǎn)置，幻表示在基準傳遞鏈中第k個零件裝配特征面坐標系的位置與方位相 對于其名義位姿的總偏差，F(xiàn)(k)為將第k個零件裝配中的誤差由第k個零件坐標系向基礎(chǔ) 坐標系轉(zhuǎn)換的6X6矩陣，&作)為第k個零件進行裝配時實際位姿相對于名義位姿在零件 坐標系中的偏差，^的+1)為第k個零件裝配完成后的整體狀態(tài)相對于基礎(chǔ)坐標系的總偏 差累積6X1矢量，I是單位矩陣，B(k)為誤差調(diào)整矢量<78作)由第k個零件的零件坐標系 到基礎(chǔ)坐標系的轉(zhuǎn)換矩陣，為誤差調(diào)整矢量，T(k)為調(diào)整系數(shù)矩陣，K(k)是卡爾曼 增益系數(shù)斯化）是第i個零件第k步狀態(tài)量的協(xié)方差矩陣，D化）為第k步狀態(tài)量的協(xié)方差 矩陣，D化+1)為第k+1步狀態(tài)量的協(xié)方差矩陣，V(k)為第k步所引入的零件誤差的方差， 0《k《N，N為裝配總步數(shù)或裝配零件總個數(shù)； 通過式（4)迭代計算得到整體裝配完成后的協(xié)方差矩陣D(N)。
7. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的考慮測量與調(diào)整工藝的精密機床公差設(shè)計方法，其特征在 于：所述步驟4)中的方差合成公式如下： Ej=D(m)+D(n) -2D(m)D(n) 總的精度指標E與零部件偏差的函數(shù)關(guān)系f如下： E=/'(&(A-)) 其中，Ei為第i項精度指標要求，D(m)為D(N)中對角線上第m項的值，D(n)為D(腳中 對角線上第n項的值，D(N)為整體裝配完成后的協(xié)方差矩陣，E=巧i，E2,…，Ei，…，Eh)， H為總的精度要求相目的個數(shù)，0《i《H。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的考慮測量與調(diào)整工藝的精密機床公差設(shè)計方法，其特征在 于：所述步驟5)中的函數(shù)關(guān)系式W如下：
其中H為總的精度要求相目的個數(shù)，0《i《H，Ei為第i項精度指標要求，0i為第i項 精度成本。
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種考慮測量與調(diào)整工藝的精密機床公差設(shè)計方法，首先根據(jù)關(guān)鍵特征面定義相關(guān)坐標系；然后確定機床裝配體的狀態(tài)空間方程及其基本系數(shù)矩陣；其次，建立成本目標函數(shù)，并通過離散系統(tǒng)輸出調(diào)節(jié)器獲得最優(yōu)調(diào)整序列，從而將狀態(tài)空間方程轉(zhuǎn)換為高斯馬爾科夫隨機過程方程；然后得到協(xié)方差矩陣，并迭代計算得到整體裝配完成后的協(xié)方差矩陣；再利用整體裝配完成后的協(xié)方差矩陣計算機床總的精度指標與零部件偏差的對應(yīng)函數(shù)關(guān)系；最后建立精度總成本與零部件精度指標之間的函數(shù)關(guān)系式，求解獲得最優(yōu)零部件公差分配結(jié)果。該方法能夠?qū)C床公差進行準確、可靠的分析，從而保障機床的精度性能。
【IPC分類】G06F17-50
【公開號】CN104850698
【申請?zhí)枴緾N201510250115
【發(fā)明人】劉志剛, 洪軍, 李寶童, 郭俊康, 劉鵬
【申請人】西安交通大學
【公開日】2015年8月19日
【申請日】2015年5月15日