CN105571548B - 一种微细切削测量转换装置及其公差预测方法 - Google Patents

一种微细切削测量转换装置及其公差预测方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及机械加工领域，具体涉及一种微细切削测量转换装置及其公差预测方法，包括伺服电机、蜗杆、蜗轮、隔板、测头、刀具、设于机床工作台上的工件以及用于加工检测的旋转机构，本发明采用的幂函数拟合预测模型，相对比于6阶多项式回归拟合预测模型，模型方程的确定系数更接近于1，拟合效果更好，精度更高；本发明拟合图的横纵坐标取对数，使得基本尺寸段0.01‑3mm被放大，能更真实清晰的反应几何平均值D与标准公差值之间的关系，能够在线完成工件的“加工‑测量”，提高了加工效率。

Description

一种微细切削测量转换装置及其公差预测方法
技术领域
本发明涉及机械加工领域，具体涉及一种微细切削测量转换装置及其公差预测方法。
背景技术
随着科学技术的发展，宇航、车辆、通信和医疗器械等领域对零件的尺寸要求越来越小，加工精度和表面质量要求也越来越高。微制造技术的研究水平已成为衡量一个国家的机械制造业乃至整个制造水平的重要依据。“设计-加工-测量”一体化是目前发展的主要趋势，而在设计和加工微小型零件时，在线测试设备相对较少，离线测试在新的装夹过程中又会引入新的误差，给加工过程造成不便，影响了加工效率，同时由于缺少对基本尺寸段0.01-3mm标准公差值的描述，因而使得批量生产和控制表面质量、加工精度变得更加困难，阻碍了微制造技术的发展。国内期刊《中国机械工程》杂志2010年第21卷18期上的“基于相对精度因子的微米和中间尺度公差研究”一文中公开了基于MATLAB曲线拟合方法，建立相对精度因子与尺寸几何平均值的6阶多项式回归数学预测模型。根据数学统计原理，当多项式的自变量的幂次超过3时，回归系数的解释变得困难，同时回归函数也不是很稳定，因此6阶多项式回归数学预测模型误差较大。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种转换方便、提高加工效率、能够在线测量且能精确预测基本尺寸段0.01-3mm的标准公差值的微细切削测量转换装置及其公差预测方法。
为解决以上技术问题，本发明采用如下技术方案：
技术方案一：
一种微细切削测量转换装置，包括伺服电机、蜗杆、蜗轮、隔板、测头、刀具、设于机床工作台上的工件以及用于加工检测的旋转机构；所述伺服电机输出端通过联轴器与蜗杆连接，所述蜗杆与蜗轮配合，所述旋转机构设置在隔板下方，所述测头与刀具设置在旋转机构内；所述旋转机构包括：主动轮、从动轮、链条、座套、设置在隔板右端的双头螺柱以及设置在隔板左端的传动轴；所述从动轮通过轴承设置在双头螺柱上，所述蜗轮设置在传动轴上，所述传动轴穿过隔板通过键与主动轮连接，所述主动轮通过链条与从动轮连接，所述从动轮上设有座套；所述测头与刀具分别设置在旋转机构的座套内。所述测头与刀具与经旋转机构传递与机床主轴连接，并与工件相对应。所述座套的个数为2个或2个以上。
技术方案二：
本发明的公差预测方法步骤如下(利用微细切削测量转换装置)：
①利用刀具对工件进行切削加工；
②经旋转机构转换，利用测头对加工后的工件进行在线测量；
③判断加工后工件的尺寸是否小于3mm；如果小于3mm，执行步骤⑤，如果大于等于3mm，执行步骤④；
④根据现有基本尺寸段3-1000mm的标准公差表评定加工后的公差等级，然后执行步骤⑦；
⑤采用幂函数模型进行曲线拟合；
501提取基本尺寸段3-250mm，公差等级为IT01、IT0、IT1、IT2、IT3、IT4的标准公差数值，计算几何平均值D并制成表格；
502基于幂函数方法进行建模，得到公差等级为IT01、IT0、IT1、IT2、IT3、IT4的基本尺寸与标准公差数值之间的幂函数模型并拟合出曲线图，并对拟合曲线图的横纵坐标取对数，幂函数拟合模型如下：
IT01幂函数模型：IT01＝0.189D0.379；
IT0幂函数模型：IT0＝0.291D0.383；
IT1幂函数模型：IT1＝0.464D0.384；
IT2幂函数模型：IT2＝0.738D0.379；
IT3幂函数模型：IT3＝1.264D0.356；
IT4幂函数模型：IT4＝2.152D0.336；
⑥根据拟合得到的幂函数模型，分别对拟合曲线图的横纵坐标取对数，对基本尺寸0.01-3mm标准公差进行预测；
⑦判断加工后的公差等级是否满足设定的加工要求，如果满足要求，则过程结束，如果没有满足设定加工要求，则执行步骤①。
对所述步骤⑤中公差等级IT01、IT0、IT1、IT2、IT3、IT4幂函数模型的拟合程度进行求解，计算在显著性水平α＝0.01的情况下对应的F分布值与回归系数R2。
所述步骤⑥中公差等级系数采用R5优先系数，将此基本尺寸段分为9段：0.01-0.03mm、0.03-0.06mm、0.06-0.10mm、0.10-0.18mm、0.18-0.30mm、0.30-0.60mm、0.60-1.00mm、1.00-1.80mm、1.80-3.00mm，利用拟合得到的幂函数模型，分别对上述9段进行标准公差值进行预测分析。
本发明的积极效果如下：本发明将电机与旋转机构配置在隔板两端，能够有效的保证转换过程的平稳，避免偏心现象的发生；本发明将刀具与测头通过旋转机构与机床进行联系，能够实现加工的在线测量；本发明座套的个数为2个或2个以上，保证了刀具和测头的多样性，扩展了其使用范围；本发明采用的幂函数拟合预测模型，相对比于6阶多项式回归拟合预测模型，模型方程的确定系数R2更接近于1，拟合效果更好，精度更高；本发明拟合图的横纵坐标取对数，使得基本尺寸段0.01-3mm被放大，能更真实清晰的反应几何平均值D与标准公差值之间的关系，能够在线完成工件的“加工-测量”，提高了加工效率。
附图说明
图1为本发明转换机构的结构示意图；
图2为本发明沿B-B方向的剖视图；
图3为本发明刀具加工示意图；
图4为本发明测头测量示意图；
图5为本发明本发明方法的流程图；
图6为本发明的公差等级为IT01的标准公差值拟合曲线示意图；
图7为本发明的公差等级为IT0的标准公差值拟合曲线示意图；
图8为本发明的公差等级为IT1的标准公差值拟合曲线示意图；
图9为本发明的公差等级为IT2的标准公差值拟合曲线示意图；
图10为本发明的公差等级为IT3的标准公差值拟合曲线示意图；
图11为本发明的公差等级为IT4的标准公差值拟合曲线示意图。
在图中：1电机、2蜗杆、3蜗轮、4隔板、5主动轮、6测头、7从动轮、8刀具、9座套、10工件、11链条、12双头螺柱、13传动轴。
具体实施方式
下面结合附图和具体实例对本发明进行详细说明。
一、本发明装置的实施例：
实施例1
如图1、2、3、4所示，一种微细切削测量转换装置，包括伺服电机1、蜗杆2、蜗轮3、隔板4、测头6、刀具8、设于机床工作台上的工件10以及用于加工检测的旋转机构；所述伺服电机1输出端通过联轴器与蜗杆2连接，所述蜗杆2与蜗轮3配合，所述旋转机构设置在隔板4下方，所述测头6与刀具8设置在旋转机构内；
所述旋转机构包括：主动轮5、从动轮7、链条11、座套9、设置在隔板4右端的双头螺柱12以及设置在隔板4左端的传动轴13；所述从动轮7通过轴承设置在双头螺柱12上，所述蜗轮3设置在传动轴13上，所述传动轴13穿过隔板4通过键与主动轮5连接，所述主动轮5通过链条11与从动轮7连接，所述从动轮7上设有座套9；所述测头6与刀具8分别设置在旋转机构的座套9内。所述测头6与刀具8与经旋转机构传递与机床主轴连接，并与工件10相对应。所述座套9的个数为2个或2个以上。
二、本发明方法的实施例：
实施例2：如图5所示
①利用刀具8对工件10进行切削加工；
②经旋转机构转换，利用测头6对加工后的工件10进行在线测量；
③判断加工后的尺寸是否小于3mm；如果小于3mm，执行步骤⑤，如果大于等于3mm，执行步骤④；
④根据现有基本尺寸段3-1000mm的标准公差表评定加工后的公差等级，然后执行步骤⑦；
⑤采用幂函数模型进行曲线拟合；
501提取基本尺寸段3-250mm，公差等级为IT01、IT0、IT1、IT2、IT3、IT4的标准公差数值，计算几何平均值D并制成表格，如表1所示；
表1基本尺寸段3-250mm标准公差表
502基于幂函数方法进行建模，得到公差等级为IT01、IT0、IT1、IT2、IT3、IT4的基本尺寸与标准公差数值之间的幂函数模型并拟合出曲线图，并对拟合曲线图的横纵坐标取对数，如图6、7、8、9、10、11所示，幂函数拟合模型如下：
IT01幂函数模型：IT01＝0.189D0.379；
IT0幂函数模型：IT0＝0.291D0.383；
IT1幂函数模型：IT1＝0.464D0.384；
IT2幂函数模型：IT2＝0.738D0.379；
IT3幂函数模型：IT3＝1.264D0.356；
IT4幂函数模型：IT4＝2.152D0.336；
⑥根据拟合得到的幂函数模型，分别对拟合曲线图的横纵坐标取对数，对基本尺寸0.01-3mm标准公差进行预测；
⑦判断加工后的公差等级是否满足设定的加工要求，如果满足要求，则过程结束，如果没有满足设定加工要求，则执行步骤①。本发明采用微细切削方式，切削加工余量较小。
对所述步骤⑤中公差等级IT01、IT0、IT1、IT2、IT3、IT4幂函数模型的拟合程度进行求解，计算在显著性水平α＝0.01的情况下对应的F分布值与回归系数R2。
对IT01幂函数模型的拟合程度进行判断，取显著性水平α＝0.01，回归模型的方差分析计算结果如表2。根据F分布表可得临界值F-tab＝F0.01(1，7)＝12.25，而F＝64.089>F-tab，表示回归模型是高度显著，R2＝0.902接近1，拟合效果好。
表2IT01幂函数回归模型方差分析表
依次对IT0、IT1、IT2、IT3、IT4幂函数模型的拟合程度进行判断，回归模型的方差分析计算结果如表3、表4、表5、表6、表7。其相应的F值分别为81.219、82.085、105.460、124.188、283.673，均大于F分布表临界值F-tab＝F0.01(1，7)＝12.25，因此回归模型是高度显著；其相应的R2值分别为0.921、0.921、0.938、0.947、0.976均接近于1，因此拟合效果好。
表3IT0幂函数回归模型方差分析表
表4IT1幂函数回归模型方差分析表
表5IT0幂函数回归模型方差分析表
表6IT0幂函数回归模型方差分析表
表7IT0幂函数回归模型方差分析表
所述步骤⑥中公差等级系数采用R5优先系数，将此基本尺寸段分为9段：0.01-0.03mm、0.03-0.06mm、0.06-0.10mm、0.10-0.18mm、0.18-0.30mm、0.30-0.60mm、0.60-1.00mm、1.00-1.80mm、1.80-3.00mm，利用拟合得到的幂函数模型，分别对上述9段进行标准公差值进行预测分析，并绘制基本尺寸段0.01-3mm标准公差预测表8。
表8基本尺寸段0.01-3mm标准公差预测表
以上所述实施方式仅为本发明的优选实施例，而并非本发明可行实施的穷举。对于本领域一般技术人员而言，在不背离本发明原理和精神的前提下对其所作出的任何显而易见的改动，都应当被认为包含在本发明的权利要求保护范围之内。

Claims (6)

1.一种微细切削测量转换装置，其特征在于:其包括伺服电机(1)、蜗杆(2)、蜗轮(3)、隔板(4)、测头(6)、刀具(8)、设于机床工作台上的工件(10)以及用于加工检测的旋转机构；所述伺服电机(1)输出端通过联轴器与蜗杆(2)连接，所述蜗杆(2)与蜗轮(3)配合，所述旋转机构设置在隔板(4)下方，所述测头(6)与刀具(8)设置在旋转机构内；所述旋转机构包括：主动轮(5)、从动轮(7)、链条(11)、座套(9)、设置在隔板(4)右端的双头螺柱(12)以及设置在隔板(4)左端的传动轴(13)；所述从动轮(7)通过轴承设置在双头螺柱(12)上，所述蜗轮(3)设置在传动轴(13)上，所述传动轴(13)穿过隔板(4)通过键与主动轮(5)连接，所述主动轮(5)通过链条(11)与从动轮(7)连接，所述从动轮(7)上设有座套(9)；
所述测头(6)与刀具(8)分别设置在旋转机构的座套(9)内。
2.根据权利要求1所述的一种微细切削测量转换装置，其特征在于：所述测头(6)与刀具(8)与经旋转机构传递与机床主轴连接，并与工件(10)相对应。
3.根据权利要求1或2所述的一种微细切削测量转换装置，其特征在于：所述座套(9)的个数为2个或2个以上。
4.利用权利要求1所述的装置进行公差预测方法，其特征在于步骤如下：
①利用刀具(8)对工件(10)进行切削加工；
②经旋转机构转换，利用测头(6)对加工后的工件(10)进行在线测量；
③判断加工后的尺寸是否小于3mm；如果小于3mm，执行步骤⑤，如果大于等于3mm，执行步骤④；
④根据现有基本尺寸段3-1000mm的标准公差表评定加工后的公差等级，然后执行步骤⑦；
⑤采用幂函数模型进行曲线拟合；
501提取基本尺寸段3-250mm，公差等级为IT01、IT0、IT1、IT2、IT3、IT4的标准公差数值，计算几何平均值D并制成表格；
502基于幂函数方法进行建模，得到公差等级为IT01、IT0、IT1、IT2、IT3、IT4的基本尺寸与标准公差数值之间的幂函数模型并拟合出曲线图，并对拟合曲线图的横纵坐标取对数，幂函数拟合模型如下：
IT01幂函数模型：IT01＝0.189D0.379；
IT0幂函数模型：IT0＝0.291D0.383；
IT1幂函数模型：IT1＝0.464D0.384；
IT2幂函数模型：IT2＝0.738D0.379；
IT3幂函数模型：IT3＝1.264D0.356；
IT4幂函数模型：IT4＝2.152D0.336；
⑥根据拟合得到的幂函数模型，分别对拟合曲线图的横纵坐标取对数，对基本尺寸0.01-3mm标准公差进行预测；
⑦判断加工后的公差等级是否满足设定的加工要求，如果满足要求，则过程结束，如果没有满足设定加工要求，则执行步骤①。
5.根据权利要求4所述的公差预测方法，其特征在于：对所述步骤⑤中公差等级IT01、IT0、IT1、IT2、IT3、IT4幂函数模型的拟合程度进行求解，计算在显著性水平α＝0.01的情况下对应的F分布值与回归系数R2。
6.根据权利要求4所述的公差预测方法，其特征在于：所述步骤⑥中公差等级系数采用R5优先系数，将此基本尺寸段分为9段：0.01-0.03mm、0.03-0.06mm、0.06-0.10mm、0.10-0.18mm、0.18-0.30mm、0.30-0.60mm、0.60-1.00mm、1.00-1.80mm、1.80-3.00mm，利用拟合得到的幂函数模型，分别对上述9段进行标准公差值进行预测分析。
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