CN110110381A - 一种卧式加工中心工艺信息的热误差感知方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种卧式加工中心工艺信息的热误差感知方法，包括步骤一：建立卧式加工中心各功能结构部件的三维模型；步骤二：对三维模型进行温度场及变形场的有限元仿真；步骤三：建立卧式加工中心在不同工况下的热误差映射模型；步骤四：提取卧式加工中心加工过程中的工艺信息，基于热误差映射模型计算卧式加工中心末端热误差，建立工艺信息与卧式加工中心末端热误差之间的联系。本发明采用了热误差映射模型，相比较其他模型，热误差对卧式加工中心误差的贡献更大，更有利于感知机床的误差值。在热误差映射模型建立的过程中，采用生热模型来作为热载荷添加到有限元模型上，相比较直接将温度作为热载荷，更有利于所建立模型的准确性。

Description

一种卧式加工中心工艺信息的热误差感知方法

技术领域

本发明涉及卧式加工中心误差监测领域。特别涉及到一种基于热误差映射模型的卧式加工中心工艺信息的误差感知方法。

背景技术

现代机械制造技术正朝着高效率、高质量、高精度、高集成和高智能方向发展。零件在加工过程中，缺乏有效的工艺感知技术，卧式加工中心的制造数据难以同步收集，导致加工质量建模和溯源都比较困难，通过有效的工艺感知技术，能够使零件加工过程中有效的预测零件的加工精度。因此研究卧式加工中心的高可靠性数据采集、处理，实现卧式加工中心加工过程中多传感器数据信息获取，实现关键信息的提取与表征，研究工艺感知信息的在线识别方法，对于保证高档卧式加工中心精度和加工稳定性都具有十分重要的意义。

发明内容

本发明的目的是为了克服现有技术中的不足，提供一种卧式加工中心工艺信息的热误差感知方法，其基于卧式加工中心热变形的特点，针对床身、立柱和溜板进行了热变形的仿真，得到了卧式加工中心的热误差映射模型。通过本发明设计方法，实现了对卧式加工中心的工艺信息进行在线感知的功能。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

一种卧式加工中心工艺信息的热误差感知方法，包括如下步骤：

步骤一：建立卧式加工中心各功能结构部件的三维模型；

步骤二：对三维模型进行温度场及变形场的有限元仿真；

步骤三：建立卧式加工中心在不同工况下的热误差映射模型；

步骤四：提取卧式加工中心加工过程中的工艺信息，基于热误差映射模型计算卧式加工中心末端热误差，建立工艺信息与卧式加工中心末端热误差之间的联系。

进一步的，步骤一中各功能结构部件包括床身、立柱及溜板，建立卧式加工中心各功能结构部件的三维模型过程中对各功能结构部件进行简化，舍弃模型中的倒角、铸造小孔、螺栓孔，去除螺栓、螺钉，得到简化的卧式加工中心的三维模型。

进一步的，步骤二具体包括：将步骤一建立的卧式加工中心各功能结构部件的三维模型导入到有限元分析软件中进行温度场和变形场的仿真；仿真的具体步骤如下：

步骤2-1：将建立的卧式加工中心各功能结构部件的三维模型导入到有限元分析软件中，得到卧式加工中心的有限元模型；

步骤2-2：基于经验公式，计算不同工况下卧式加工中心的生热模型，具体包括：轴承生热模型、丝杠生热模型、电机生热模型、冷却系统散热模型；将热载荷以热流密度的形式施加到卧式加工中心的有限元模型上，同时施加空气对流与强迫对流及丝杠的旋转对流载荷条件，求解各功能结构部件的温度场，得到有限元温度场仿真结果。；

步骤2-3：将步骤2-2得到的有限元温度场仿真结果以载荷的形式施加到有限元模型中；其中，对各功能结构部件独立分析时，对床身底面采用全约束形式，立柱则在床身-立柱结合面施加固定约束，溜板、工作台、主轴箱在滑块-导轨结合面处施加垂直移动方向位移约束、在丝杠-螺母连接处施加移动方向位移约束，求解卧式加工中心各个功能结构部件的变形场，得到有限元变形场仿真结果。

进一步的，步骤三具体包括：提取X、Y、Z三轴各导轨的变形值，计算每个单轴的六项误差，包括定位误差，两个直线度误差及三个角度误差，基于多体系统理论得到卧式加工中心的末端热误差，建立热误差映射模型；具体步骤如下：

步骤3-1：基于卧式加工中心有限元变形场仿真结果，提取X、Y、Z三个轴各导轨分别在X、Y、Z三个方向的变形值以及光栅尺的纵向变形；

步骤3-2：假设导轨与滑块精密配合，建立各导轨误差与单轴六项误差之间的数学模型；

步骤3-3：根据卧式加工中心的结构建立其机构拓扑图，利用低序体阵列描述卧式加工中心各部件之间的拓扑结构；

步骤3-4：采用齐次变化矩阵描述卧式加工中心各部件之间的几何关系，建立卧式加工中心相邻部件之间的理想特征矩阵和误差特征矩阵；

步骤3-5：以床身为原始坐标系，根据刀尖点与工件加工点的理想位姿和实际位姿得到卧式加工中心的末端误差，建立卧式加工中心热误差映射模型。

进一步的，步骤四具体包括：提取卧式加工中心加工过程中的工艺信息，即G代码信息，基于热误差映射模型计算卧式加工中心的末端热误差，建立G代码与末端热误差之间的联系；其具体步骤包括：

步骤4-1：基于Visual Studio集成开发环境，以C#为工具，提取卧式加工中心加工过程中数控系统的G代码信息以及卧式加工中心的坐标位置；

步骤4-2：利用LabView监测卧式加工中心温度关键敏感点的温度；

步骤4-3：基于最小二乘法将4-2步骤中监测到的温度与不同工况下热误差映射模型所对应的温度场进行拟合对比，确定所监测时刻的热误差映射模型，基于热误差映射模型计算卧式加工中心的末端热误差，建立G代码信息与卧式加工中心末端热误差之间的联系。

与现有技术相比，本发明的技术方案所带来的有益效果是：

本发明采用了热误差映射模型，相比较其他模型，热误差对卧式加工中心误差的贡献更大，更有利于感知机床的误差值。在热误差映射模型建立的过程中，采用生热模型来作为热载荷添加到有限元模型上，相比较直接将温度作为热载荷，更有利于所建立模型的准确性。基于Visual Studio开发平台，采用C#语言进行编写提取数控系统G代码信息的程序，相比较其他语言，能够更加方便的利用数控系统自身的函数库来进行程序开发，缩短了开发时间。本发明建立了G代码与机床末端热误差之间的联系，有利于零件在批量加工前优化加工工艺，从而有效的减少废品的出现，保证了高档卧式加工中心的精度和加工稳定性，使制造资源能够得到最大化利用。

附图说明

图1是本发明较佳实施方式提供的基于热误差映射模型的工艺信息的感知方法的整体流程示意图；

图2为卧式加工中心结构图；

图3为卧式加工中心床身图；

图4为卧式加工中心立柱图；

图5为卧式加工中心溜板图；

图6为卧式加工中心导轨滑块示意图；

图7为卧式加工中心拓扑图；

附图标记：0、床身；1、转台及工作台；2、工件；3、立柱；4、溜板；5、主轴箱；6、主轴；7、刀具。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

请参阅图1，一种卧式加工中心工艺信息的热误差感知的方法，包括步骤：

步骤一：建立所述卧式加工中心各功能结构部件的三维模型；

步骤二：对所述的三维模型进行温度场及变形场的有限元仿真

步骤三：建立所述卧式加工中心在不同工况下的热误差映射模型

步骤四：提取卧式加工中心的工艺信息，建立工艺信息与卧式加工中心末端热误差之间的联系

请参阅图2，一种卧式加工中心的结构，卧式加工中心包括床身0、转台1、工作台2、立柱3、溜板4、主轴箱5、主轴6以及刀具7。本发明卧式加工中心床身0上前端支撑导轨，其上支撑转台1和工作台2，床身后部支撑立柱3，并在其上安装溜板、4主轴箱5、主轴6和刀具7。

进一步地，步骤一具体包括：建立卧式加工中心各功能结构部件的三维模型，包括床身、立柱及溜板，同时对所述各功能结构部件进行简化，舍弃所述模型中的倒角、铸造小孔、螺栓孔，去除对仿真没有太大影响的细小部件，包括螺栓、螺钉，得到简化的卧式加工中心各功能结构部件的三维模型，请参阅图3、4、5。

进一步地，步骤二具体包括：将步骤一建立的卧式加工中心各功能结构部件的三维模型导入到有限元分析软件中进行温度场和变形场的仿真。仿真的具体步骤包括：

步骤2-1：将建立的所述卧式加工中心各功能结构部件的三维模型导入到有限元分析软件中，得到卧式加工中心的有限元模型；

步骤2-2：基于经验公式，计算不同工况下卧式加工中心的生热模型，具体包括：轴承生热模型、丝杠生热模型、电机生热模型、冷却系统散热模型。

电机的生热模型：

n：电机转速，r/min

T：伺服电机的输出扭矩，N·mm

η：伺服电机的机械效率

丝杠-螺母的生热模型：

n：丝杠转速，r/min

F_p：滚珠丝杠螺母副的轴向预力，N

P_h：丝杠的导程，mm

η：滚珠丝杠副的传动效率

F_α：丝杠的总轴向载荷，kN

A：丝杠的表面积，m²

轴承的生热模型：

n：轴承转速，r/min

v：工作温度下润滑剂运动粘度，cst

d_m：轴承中径，mm

f₁：与轴承结构和载荷有关的系数

F_β：取决于作用力的大小和方向

A：轴承内圈内外表面的面积和

f₀：与轴承类型和润滑方式有关的经验常数

冷却系统模型：

Q＝ρvc(T_out-T_in) (4)

ρ：冷却液密度，kg/m³

v：流量，L/min

T_out：出口温度，℃

T_in：进口温度，℃

c：比热容，kJ/kg·℃

将热载荷以热流密度的形式施加到卧式加工中心的有限元模型上，同时施加空气对流与强迫对流及丝杠的旋转对流载荷条件，求解所述各重要结构部件的温度场，得到有限元温度场仿真结果；

步骤2-3：将步骤2-2得到的温度场的求解结果以载荷的形式施加到有限元模型中。其中，对各功能结构部件独立分析时，对床身底面采用全约束形式，立柱则在床身-立柱结合面施加固定约束，溜板、工作台、主轴箱在滑块-导轨结合面处施加垂直移动方向位移约束、在丝杠-螺母连接处施加移动方向位移约束。求解卧式加工中心各个重要结构部件的变形场，得到有限元变形场仿真结果。

进一步地，步骤三具体包括：提取X、Y、Z三轴各导轨的变形值，计算单轴的六项误差，包括定位误差，两个直线度误差及三个角度误差，基于多体系统理论得到卧式加工中心的末端热误差，建立热误差映射模型。建模具体步骤包括：

步骤3-1：基于卧式加工中心有限元变形场仿真结果，提取X、Y、Z三个轴各导轨在X、Y、Z三个方向的变形值以及光栅尺的纵向变形，提取路径请参考图3、4、5；

步骤3-2：假设导轨与滑块精密配合，建立各导轨误差与单轴六项误差之间的数学模型；

以Z轴为例，其左右导轨各方向热变形分别为：

k：函数系数

z：Z轴坐标值

j：函数自变量次数

δ_{z_im}：导轨各方向的热变形值

请参阅图6，设工作台与床身连接滑块分别为left1、left2、right1、right2，计算热误差时，忽略滑块与导轨之间间隙，基于以上导轨变形数据，可分别求得各滑块中心点热漂移为：

δ：各滑块中心点热漂移值

k：函数系数

z：Z轴坐标值

L₁：同一条导轨上相邻两滑块距离

则定位误差为：

δ_z(z)：定位误差值

k：函数系数

z：Z轴坐标值

直线度误差为：

ΔY：基准直线误差

δ：各滑块中心点热漂移值(请参阅公式6)

δ_{z_ynorm}：基准直线值

K：函数系数

z：Z轴坐标值

δ_y(z)：直线度误差值

K：函数系数

ΔY：基准直线误差

z：Z轴坐标值

角度误差为：

ε：角度误差值

δ：各滑块中心点热漂移值(请参阅公式6)

L₁：同一条导轨上相邻两滑块距离

L₂：相邻导轨上两个滑块的距离(请参阅图6)

步骤3-3：请参阅图7，根据卧式加工中心的实际结构建立其机构拓扑图，可采用低序体阵列描述机床各部件之间的拓扑结构，请参见表1。

表1卧式加工中心机构低序体阵列

典型体j	1	2	3	4	5	6
							L<sup>0</sup>(j)	1	2	3	4	5	6
L<sup>1</sup>(j)	0	1	0	3	4	5
							L<sup>2</sup>(j)	0	0	0	0	3	4
L<sup>3</sup>(j)	0	0	0	0	0	3
							L<sup>4</sup>(j)	0	0	0	0	0	0

步骤3-4：采用齐次变化矩阵描述卧式加工中心各部件之间的几何关系，建立卧式加工中心相邻部件之间的理想特征矩阵和误差特征矩阵；

在各部件上分别建立坐标系，床身坐标系O₀、转台及工作台坐标系O₁、工件坐标系O₂、立柱坐标系O₃、溜板坐标系O₄、主轴箱坐标系O₅、主轴坐标系O₆、刀具坐标系O₇。

在初始状态下，立柱坐标系原点O₃在床身坐标系O₀下坐标为(0，y_03p，0)；溜板坐标系原点O₄在立柱坐标系O₃下坐标为(x_34p，y_34p，z_34p)；主轴箱坐标系原点O₅在溜板坐标系O₄下坐标为(x_45p，y_45p，z_45p)；主轴坐标系原点O₆在主轴箱坐标系O₅下坐标为(x_56p，y_56p，z_56p)；刀具坐标系原点O₇在溜板坐标系O₆下坐标为(x_67p，y_67p，z_67p)；转台坐标系原点O₁在床身坐标系O₀下坐标为(0，y_01p，z_01p)；工件坐标系在转台坐标系下的坐标为(0，y_12p，z_12p)；溜板坐标系相对立柱坐标系移动x_34s(xx)；主轴箱坐标系相对溜板坐标系移动y_45s(yy)；转台坐标系相对床身坐标系移动z_01s(zz)。

根据平移和旋转齐次变换矩阵可建立卧式加工中心相邻部件之间的理想特征矩阵和误差特征矩阵，详情参见表2、3

表2各轴单项热误差符号表示

表3理想特征矩阵和误差特征矩阵符号表示

步骤3-5：以床身为原始坐标系，根据刀尖点与工件加工点的理想位姿和实际位姿得到卧式加工中心的末端误差，建立卧式加工中心空间热误差的模型。

设刀尖点在刀具坐标系(7坐标系O₇-x₇y₇z₇)下的齐次坐标值为：

设工件上代加工点在工件坐标系(2坐标系O₂-x₂y₂z₂)下的齐次坐标值为：

则刀尖点在理想床身坐标系(0坐标系O₀-x₀y₀z₀)下的齐次坐标值为：

则工件上待加工点在理想床身坐标系(0坐标系O₀-x₀y₀z₀)下的齐次坐标值：

理想条件下，刀尖点即为工件加工点，则有：

设刀尖点及工件上代加工点在实际床身坐标系(0坐标系O₀-x₀y₀z₀)下的齐次坐标系分别为：P_t0actual、P_w0actual

则在床身坐标系下刀尖点和工件加工点的综合加工误差为：

ΔE＝[Δx Δy Δz]＝P_w0actual-P_t0actual (15)

进一步地，步骤四具体包括：提取卧式加工中心的G代码信息，建立G代码与卧式加工中心末端热误差之间的联系。其具体步骤包括：

步骤4-1：基于Visual Studio集成开发环境，以C#为工具，提取卧式加工中心数控系统的G代码信息以及卧式加工中心的坐标位置；

步骤4-2：利用LabView监测卧式加工中心温度关键敏感点的温度；

步骤4-3：基于最小二乘法将4-2步骤中监测到的温度与不同工况下热误差映射模型的温度场进行拟合对比，确定所监测时刻的卧式加工中心热误差映射模型，基于热误差映射模型计算卧式加工中心的末端热误差，建立G代码信息与卧式加工中心末端热误差之间的联系，实现工艺信息的误差感知。

本发明并不限于上文描述的实施方式。以上对具体实施方式的描述旨在描述和说明本发明的技术方案，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，并不是限制性的。在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，本领域的普通技术人员在本发明的启示下还可做出很多形式的具体变换，这些均属于本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种卧式加工中心工艺信息的热误差感知方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤一：建立卧式加工中心各功能结构部件的三维模型；

步骤二：对三维模型进行温度场及变形场的有限元仿真；

步骤三：建立卧式加工中心在不同工况下的热误差映射模型；

步骤四：提取卧式加工中心加工过程中的工艺信息，基于热误差映射模型计算卧式加工中心末端热误差，建立工艺信息与卧式加工中心末端热误差之间的联系。

2.根据权利要求1所述的卧式加工中心工艺信息的热误差感知方法，其特征在于，步骤一中各功能结构部件包括床身、立柱及溜板，建立卧式加工中心各功能结构部件的三维模型过程中对各功能结构部件进行简化，舍弃模型中的倒角、铸造小孔、螺栓孔，去除螺栓、螺钉，得到简化的卧式加工中心的三维模型。

3.根据权利要求1所述的卧式加工中心工艺信息的热误差感知方法，其特征在于，步骤二具体包括：将步骤一建立的卧式加工中心各功能结构部件的三维模型导入到有限元分析软件中进行温度场和变形场的仿真；仿真的具体步骤如下：

步骤2-1：将建立的卧式加工中心各功能结构部件的三维模型导入到有限元分析软件中，得到卧式加工中心的有限元模型；

步骤2-2：基于经验公式，计算不同工况下卧式加工中心的生热模型，具体包括：轴承生热模型、丝杠生热模型、电机生热模型、冷却系统散热模型；将热载荷以热流密度的形式施加到卧式加工中心的有限元模型上，同时施加空气对流与强迫对流及丝杠的旋转对流载荷条件，求解各功能结构部件的温度场，得到有限元温度场仿真结果；

步骤2-3：将步骤2-2得到的有限元温度场仿真结果以载荷的形式施加到有限元模型中；其中，对各功能结构部件独立分析时，对床身底面采用全约束形式，立柱则在床身-立柱结合面施加固定约束，溜板、工作台、主轴箱在滑块-导轨结合面处施加垂直移动方向位移约束、在丝杠-螺母连接处施加移动方向位移约束，求解卧式加工中心各个功能结构部件的变形场，得到有限元变形场仿真结果。

4.根据权利要求1所述的卧式加工中心工艺信息的热误差感知方法，其特征在于，步骤三具体包括：提取X、Y、Z三轴各导轨的变形值，计算每个单轴的六项误差，包括定位误差，两个直线度误差及三个角度误差，基于多体系统理论得到卧式加工中心的末端热误差，建立热误差映射模型；具体步骤如下：

步骤3-1：基于卧式加工中心有限元变形场仿真结果，提取X、Y、Z三个轴各导轨分别在X、Y、Z三个方向的变形值以及光栅尺的纵向变形；

步骤3-2：假设导轨与滑块精密配合，建立各导轨误差与单轴六项误差之间的数学模型；

步骤3-3：根据卧式加工中心的结构建立其机构拓扑图，利用低序体阵列描述卧式加工中心各部件之间的拓扑结构；

步骤3-4：采用齐次变化矩阵描述卧式加工中心各部件之间的几何关系，建立卧式加工中心相邻部件之间的理想特征矩阵和误差特征矩阵；

步骤3-5：以床身为原始坐标系，根据刀尖点与工件加工点的理想位姿和实际位姿得到卧式加工中心的末端误差，建立卧式加工中心热误差映射模型。

5.根据权利要求1所述的卧式加工中心工艺信息的热误差感知方法，其特征在于，步骤四具体包括：提取卧式加工中心加工过程中的工艺信息，即G代码信息，基于热误差映射模型计算卧式加工中心的末端热误差，建立G代码与末端热误差之间的联系；其具体步骤包括：

步骤4-1：基于Visual Studio集成开发环境，以C#为工具，提取卧式加工中心加工过程中数控系统的G代码信息以及卧式加工中心的坐标位置；

步骤4-2：利用LabView监测卧式加工中心温度关键敏感点的温度；

步骤4-3：基于最小二乘法将4-2步骤中监测到的温度与不同工况下热误差映射模型所对应的温度场进行拟合对比，确定所监测时刻的热误差映射模型，基于热误差映射模型计算卧式加工中心的末端热误差，建立G代码信息与卧式加工中心末端热误差之间的联系。