CN106250662A - 一种基于综合几何精度的多轴机床零部件公差设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于综合几何精度的多轴机床零部件公差设计方法，它涉及一种多轴机床零部件公差设计方法，以解决现有多轴机床综合几何精度设计，没有落实到具体组成运动副的每个零部件的公差设计上，综合几何精度设计周期长，可行性差，对后续机床综合误差补偿方向帮助不大的问题，所述设计方法的主要步骤为：步骤一、分析多轴机床几何误差项；步骤二、给定组成机床运动副各个零部件需要控制的几何公差项；步骤三、建立多轴机床几何公差分析模型；步骤四、机床综合几何误差仿真分析报告，修改相应的零部件公差值。本发明用于多轴机床零部件公差设计。

Description

一种基于综合几何精度的多轴机床零部件公差设计方法

技术领域

本发明涉及一种多轴机床零部件公差设计方法，具体涉及一种基于综合几何精度的多轴机床零部件公差设计方法。

背景技术

随着传统的三轴机床已经不能满足现状，大家将目光转向多轴机床。由于相对三轴机床多出几个自由度，加工能力提高的同时其加工精度也备受大家关注。几何误差作为机床误差的主要组成部分，其来源是组成机床各轴运动副零部件的几何误差。目前比较常用的多轴机床几何精度设计是根据机床给定的整机综合几何精度，推算出沿各轴运动方向的精度参数，然后进行优化分配，确保达到机床综合几何精度要求。由于多轴机床沿各轴运动方向的误差进行测量在实际操作中较为困难，而且这种办法并未将机床综合几何精度的保证最终确定到具体运动零部件的公差上，机床综合几何精度设计周期长，可行性差。

发明内容

本发明的目的是为解决现有多轴机床精度设计，没有考虑到具体确定机床具体运动零部件的公差，设计周期长和可行性较差，从而提供一种基于综合几何精度的多轴机床零部件公差设计方法，确保达到机床综合几何精度，设计灵活性和通用性好，可靠性强。

本发明为解决上述问题采取的技术方案是：本发明的一种基于综合几何精度的多轴机床零部件公差设计方法的具体步骤为：

步骤一、根据机床运动特性分析沿各轴几何运动方向的误差：所述误差包括平移轴误差，旋转轴误差，以及轴与轴之间的位置误差和方向误差：

步骤二、给定机床运动副零部件需要控制的几何公差项，通过确定各运动副零部件几何公差项，用来覆盖各轴方向的几何误差项；机床各轴间的垂直误差和平行误差则还要添加其他相关零部件几何公差项，最终得出各个组成机床运动副零部件几何公差项：

步骤三、根据步骤二确定的机床运动副零部件需要控制的几何公差项，借助公差分析创建对应的零部件装配特征，根据机床实际装配顺序进行虚拟装配，建立多轴机床几何公差分析模型。

步骤四、根据步骤三建立的多轴机床几何公差分析模型，采用蒙特卡洛模拟法对机床综合几何误差三维仿真分析。

步骤五、根据步骤四的仿真分析结果，合理优化零部件公差值，完成基于综合几何精度的多轴机床零部件公差设计。

本发明的有益效果是：(1) 本发明设计过程中基于机床的综合几何要求，补了传统多轴机床精度设计方法的不足，将机床综合几何精度的保证最终确定到具体运动零部件的公差上；(2) 本发明可根据仿真结果合理修改零部件，设计灵活性和通用性较优；(3) 本发明设计方法可靠性较强，应用范围广泛，此方法也可对后续机床误差补偿方向提高一定的依据。

附图说明

图1是本发明的设计流程图。

图2是机床平移轴几何误差示意图。

图3是平面导轨运动部件公差示意图。

图4是圆柱导轨运动部件公差示意图。

图5是TTTRR类五轴机床三维偏差分析示意图。

图6是仿真分析结果报告示意图。

具体实施方式

本发明的优选实施例结合附图详述如下：结合图1说明本实施例，本基于综合几何精度的多轴机床零部件公差设计方法的具体步骤为：

步骤一、根据机床运动特性分析沿各轴几何运动方向的误差：所述误差包括平移轴误差，旋转轴误差，以及轴与轴之间的位置误差和方向误差；

步骤二、给定机床运动副零部件需要控制的几何公差项，通过确定各运动副零部件几何公差项，用来覆盖各轴方向的几何误差项；机床各轴间的垂直误差和平行误差则还要添加其他相关零部件几何公差项，最终得出各个组成机床运动副零部件几何公差项：

步骤三、在建立机床几何公差分析模型时，我们只考虑重要零部件（例如运动部件），忽略大部分加强件（例如标准件等）。根据步骤二确定的机床运动副零部件需要控制的几何公差项，借助公差分析创建对应的零部件装配特征，根据机床实际装配顺序进行虚拟装配，建立多轴机床几何公差分析模型：

步骤四、根据机床综合几何误差的性质可知，它是将各个运动副叠加其各项随机几何误差转化求解得来，因此机床综合误差也具有随机性；根据步骤三建立的多轴机床几何公差分析模型，故采用蒙特卡洛模拟法对机床综合几何误差三维仿真分析：

步骤五、根据步骤四的仿真分析结果，合理优化零部件公差值，完成基于综合几何精度的多轴机床零部件公差设计。

本实施例的步骤一中根据机床运动特性是指机床存在几个平移运动和旋转运动，以及两两间是否存在联动关系。

本实施例的步骤二中之所以能给定机床运动副零部件几何公差项是因为可以对沿该运动方向误差项进行完全覆盖。

本实施例的步骤四中采用蒙特卡洛模拟法仿真分析是考虑到机床综合几何误差也具有随机性。

本实施例的步骤五中根据仿真分析结果不仅可以相应的修改零部件公差值，同时根据前面运动副几何误差项与几何公差项的约束关系，可为后续机床误差补偿方向提供一定的依据。

实施例二：

为了进一步说明本发明，结合图1 、图2、图3 、图4、图5和图6说明本实施例, 本基于综合几何精度的多轴机床零部件公差设计方法是以基于综合几何精度的TTTRR类五轴数控机床零部件公差设计的，具体步骤如下：

步骤一、分析TTTRR类五轴数控机床沿各轴几何运动方向的误差；沿X、Y、Z方向平行移动的三个轴，每个轴在变动时都会产生沿X、Y、Z方向的三项线位移误差，绕X、Y、Z方向的三项角位移误差；还有两个旋转轴AC在沿X、Y、Z方向的三项线位移误差和绕X、Y、Z方向的三项角位移误差；另外，三个直线运动轴之间还会产生三项垂直度误差，这三项垂直度误差不随机床运动体的运动而变化，因此TTTRR类五轴数控机床一共有33项几何方向的误差；以平移轴为例，机床工作台沿着导轨运动时存在着六项误差——三个位移误差和三个角度误差。沿X轴方向运动过程中，存在三个平移误差δx(X)、δy(X)、δz(X)和三个角度误差εx(X)、εy(X)、εz(X)。其中，δ代表位移误差，ε代表角度误差，括号内的字母代表运动方向，而下标内的字母代表误差方向：

步骤二、给定TTTRR类五轴数控机床运动副零部件需要控制的几何公差项，通过确定各运动副零部件几何公差项，用来覆盖各轴方向的几何误差项；机床各轴间的垂直误差和平行误差则还要添加其他相关零部件几何公差项，最终得出各个组成机床运动副零部件几何公差项；针对平面导轨，则可以转化成接触面的面轮廓度及垂直度；给定接触底面的平面度可覆盖δy(X)、εx(X)和εz(X)，两接触侧面的垂直度可覆盖δz(X)和εy(X)；针对于圆柱导轨，则可以转化成圆柱导轨的直线度及侧面垂直度。给定圆柱导轨轴线的位置度可覆盖δz(X)、εx(X)和εy(X)，侧面垂直度可覆盖δy(X)、εz(X)；δx(X)则由机床沿X轴方向的伺服电机精度限制；机床沿各轴运动方向之间的垂直误差和平行误差则需要各装配特征的公差项及相互间的平行度来共同约束；零部件初始公差值可参考经验值给出，最终值根据后面的仿真分析结果进行合理优化：

步骤三、在建立TTTRR类五轴数控机床几何公差分析模型时，我们只考虑重要零部件（例如运动部件），忽略大部分加强件（例如标准件等）。根据步骤二确定的机床运动副零部件需要控制的几何公差项，借助三维公差分析软件创建对应的零部件装配特征，根据机床实际装配顺序进行虚拟装配，建立TTTRR类五轴数控机床几何公差分析模型：

步骤四、根据TTTRR类五轴数控机床综合几何误差的性质可知，它是将各个运动副叠加其各项随机几何误差转化求解得来，因此机床综合误差也具有随机性；根据步骤三建立的TTTRR类五轴数控机床几何公差分析模型，故采用蒙特卡洛模拟法对TTTRR类五轴数控综合几何误差三维仿真分析：

步骤五、根据步骤四的仿真分析结果，合理优化零部件公差值，最后完成基于综合几何精度的TTTRR类五轴数控机床零部件公差。

设计原理

本发明基于基于综合几何精度的多轴机床零部件公差设计方法，多轴机床综合几何精度受沿各轴运动方向的误差项影响。通过分析多轴机床沿各轴几何运动方向的误差项，给定机床运动副零部件需要控制的几何公差项来限制对应的几何误差；根据多轴机床实际装配顺序进行虚拟装配，建立机床几何公差分析模型；结合机床综合误差的随机性，采用蒙特卡罗模拟法进行三维误差仿真分析；根据仿真分析结果，合理优化零部件公差值，最后完成基于综合几何精度的多轴机床零部件公差设计。

Claims (1)

1.一种基于综合几何精度的多轴机床零部件公差设计方法，其特征在于：具体步骤为：

步骤一、根据机床运动特性分析沿各轴几何运动方向的误差：所述误差包括平移轴误差，旋转轴误差，以及轴与轴之间的位置误差和方向误差；

步骤二、给定机床运动副零部件需要控制的几何公差项，用来覆盖各轴方向的几何误差项；机床各轴间的垂直误差和平行误差则还要添加其他相应零部件几何公差项来进行约束，最终得出组成多轴机床各个运动副零部件几何公差项；

步骤三、根据步骤二确定的机床运动副零部件需要控制的几何公差项，借助三维公差分析创建对应的零部件装配特征，根据机床实际装配顺序进行虚拟装配，建立多轴机床几何公差分析模型；

步骤四、根据步骤三建立的多轴机床几何公差分析模型，采用蒙特卡洛模拟法对机床综合几何误差三维仿真分析；

步骤五、根据步骤四的仿真分析结果，合理优化零部件公差值，完成基于综合几何精度的多轴机床零部件公差设计。