CN112051798B - 一种可计算的可重构机床几何位姿误差定义方法 - Google Patents

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CN112051798B CN202010823470.3A CN202010823470A CN112051798B CN 112051798 B CN112051798 B CN 112051798B CN 202010823470 A CN202010823470 A CN 202010823470A CN 112051798 B CN112051798 B CN 112051798B
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Abstract

本发明公开了一种可计算的可重构机床几何位姿误差定义方法。该方法首先建立可重构机床配置树模型，定义直线轴运动模块和旋转轴运动模块的几何位姿误差通用表达式以及位姿误差定义系数矩阵。然后在配置树模型的基础上确定直线轴几何位姿误差定义序列和相映射的模块类型，设计直线轴几何位姿误差定义算子，计算出直线轴的位姿误差定义系数矩阵。接着设计旋转轴几何位姿误差定义算子以根据旋转轴类型确定旋转轴位姿误差定义系数矩阵。最后通过适配计算系数矩阵实现可重构机床几何位姿误差的定义。本发明可通过编程计算方法实现可重构机床几何位姿误差的智能定义，以适应不断变化的机床结构配置，降低了操作人员的经验要求。

Description

一种可计算的可重构机床几何位姿误差定义方法
技术领域
本发明涉及机床几何位姿误差定义领域，具体涉及一种可计算的可重构机床几何位姿误差定义方法。
背景技术
近年来，随着制造业的转型升级和服务制造业的发展，动态变化的产品制造需求和更短的产品周期给制造企业带来了挑战，制造企业能够实时更新制造系统才能保证市场竞争力。模块化的可重构机床是制造企业应对市场变化的有效方案之一。可重构机床是提供用户定制化功能的批量生产、柔性制造装备，可根据加工对象的变化经济、高效地调整配置和生产能力，在用户现场实施重构。
在可重构机床结构配置不断变化时，同时需要保证相应机床构型下的加工精度，需要对可重构机床进行动态误差建模和误差分析。机床几何误差可分为位姿误差和运动误差，位姿误差与机床结构配置相关，机床结构配置发生变化时，几何位姿误差同样跟随变化。运动误差受零件制造误差的影响，与运动轴运动精度相关，每个运动轴均有六个自由度运动误差，且与运动轴位置呈函数关系，不受机床结构配置变化的影响，容易确定。
在可重构机床结构配置发生变化，对其进行误差建模时，首先要确定相应构型的几何位姿误差，现有几何位姿误差定义方法离不开专业知识，几何位姿误差需要专业人员根据不同机床结构重新定义，在生产现场难以及时更新，尤其在未来智能制造的无人工厂，更需要能够计算的、可编程的、根据机床结构配置自主确定机床几何误差的方法。
发明内容
本发明的目的在于提供一种可计算的可重构机床几何位姿误差定义方法，以解决现有技术中存在的现有几何位姿误差定义方法离不开专业知识，几何位姿误差需要专业人员根据不同机床结构重新定义，在生产现场难以及时更新的技术问题。
为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种可计算的可重构机床几何位姿误差定义方法，包括以下步骤：
采用预先确定的可重构机床节点模块描述方法，根据机床结构中节点模块之间的位置和运动关系，建立可重构机床配置树模型；
根据配置树模型中节点模块配置信息，定义直线轴运动模块和旋转轴运动模块的几何位姿误差通用表达式以及与几何位姿误差一一映射的几何位姿误差辨识系数矩阵；
根据配置树模型，确定直线轴运动模块几何位姿误差定义序列和相映射的直线轴运动模块类型矩阵，并设计直线轴运动模块几何位姿误差定义算子；
根据所述直线轴运动模块几何位姿误差定义序列、相映射的直线轴运动模块类型矩阵和所述直线轴几何位姿误差定义算子，计算直线轴运动模块几何位姿误差辨识系数矩阵；
根据配置树模型设计旋转轴运动模块几何位姿误差定义算子；
根据旋转轴运动模块类型和所述旋转轴运动模块几何位姿误差定义算子，计算旋转轴运动模块几何位姿误差辨识系数矩阵；
将计算出的直线轴运动模块几何位姿误差辨识系数矩阵中的元素、旋转轴运动模块几何位姿误差辨识系数矩阵中的元素分别与相应运动模块的几何位姿误差通用表达式中的各元素相乘，筛选出各运动模块的几何位姿误差，完成可重构机床运动模块几何位姿误差的定义。
进一步地，所述可重构机床节点模块描述方法为：
Figure BDA0002635199390000031
式(1)中，
Figure BDA0002635199390000032
指节点模块集D中的节点模块元素；r用以区分节点模块在可重构机床配置树模型中的位置，如果r＝0，则节点模块在刀具分支，如果r＝1，则节点模块在工件分支；a用以区分不同的运动属性，当a＝0时，对应的节点模块指直线轴运动模块，当a＝1时，对应的节点模块指旋转轴运动模块，当a＝2时，对应的节点模块不提供进给运动；i用以区分节点模块的类型，i＝0，节点模块指床身，i＝1，节点模块指X方向的运动模块，i＝2，节点模块指Y方向的运动模块，i＝3，节点模块指Z方向的运动模块，i＝4，节点模块指主轴，i＝5，节点模块指夹具；j用以区分相同类型和相同运动属性的节点模块；k指节点模块在对应分支上的位置；N为自然数。
进一步地，所述建立可重构机床配置树模型，具体为：
MCT＝{d,e|d∈D,e∈E} 2)
Figure BDA0002635199390000041
式(2)和(3)中，MCT指配置树模型；d指节点模块集D中的节点模块元素；<d1,d2>指配置树中的有序节点模块对，d1代表父节点模块，d2代表子节点模块，父节点模块可以驱动子节点模块运动；f(e)是判别函数，当f(e)＝0时，d1和d2之间不存在装配关系，当f(e)＝1时，d1和d2之间存在装配关系；e指d1和d2之间的装配关系；E指配置树中所有有序节点模块对装配关系的集合。
进一步地，所述建立可重构机床配置树模型，还包括：约定机床旋转轴运动模块始终装配在直线轴运动模块上，当旋转轴运动模块与直线轴运动模块之间有装配关系时，旋转轴运动模块始终是子节点模块。
进一步地，所述几何位姿误差通用表达式描述为：
Figure BDA0002635199390000042
式(4)中，
Figure BDA0002635199390000043
表示直线轴运动模块或旋转轴运动模块的几何位姿误差；
Figure BDA0002635199390000044
分别指直线轴运动模块的X方向的平移误差、Y方向的平移误差、Z方向的平移误差、X方向的角度误差、Y方向的角度误差和Z方向的角度误差，或者分别指旋转轴运动模块的X方向的平移误差、Y方向的平移误差、Z方向的平移误差、X方向的角度误差、Y方向的角度误差和Z方向的角度误差；
所述几何位姿误差辨识系数矩阵，定义为：
Figure BDA0002635199390000051
式(5)中，
Figure BDA0002635199390000052
表示直线轴运动模块或旋转轴运动模块的几何位姿误差辨识系数矩阵；
Figure BDA0002635199390000053
分别指直线轴运动模块的X方向的平移误差辨识系数、Y方向的平移误差辨识系数、Z方向的平移误差辨识系数、X方向的角度误差辨识系数、Y方向的角度误差辨识系数和Z方向的角度误差辨识系数，或者分别指旋转轴运动模块的X方向的平移误差辨识系数、Y方向的平移误差辨识系数、Z方向的平移误差辨识系数、X方向的角度误差辨识系数、Y方向的角度误差辨识系和Z方向的角度误差辨识系数；
Figure BDA0002635199390000054
分别取0或1，当取0时，对应的误差不存在，当取1时，对应的误差存在，其初始值均取1。
进一步地，所述直线轴运动模块几何位姿误差定义序列根据刀具分支和工件分支上直线轴运动模块的数目确定。
进一步地，所述直线轴运动模块几何位姿误差定义序列根据刀具分支和工件分支上直线轴运动模块的数目确定，具体包括：
当直线轴运动模块在工件分支上时，工件分支的直线轴运动模块几何位姿误差定义序列Slw＝kw，kw为工件分支上直线轴运动模块的位置；当直线轴模块在刀具分支上时，刀具分支的直线轴运动模块几何位姿误差定义序列Slt＝kt+nlw，kt为刀具分支上直线轴运动模块的位置，nlw指工件分支上直线轴模块的个数；完整的直线轴运动模块几何位姿误差定义序列为S＝[Slw Slt]，max(S)＝nl，nl指可重构机床刀具分支和工件分支上直线轴运动模块的总个数。
进一步地，所述直线轴运动模块类型矩阵，记录为：
Ltype＝[iw(r＝1,0＜kw≤nlw),it(r＝0,0＜kt≤nlt)],nlw+nlt＝nl (6)
式(6)中，nlw和nlt分别指工件分支上直线轴运动模块个数和刀具分支上直线轴运动模块个数，iw指与工件分支上直线轴运动模块位置kw相映射的直线轴运动模块类型，it指与刀具分支上直线轴运动模块位置kt相映射的直线轴运动模块类型，Ltype矩阵的元素与直线轴运动模块几何位姿误差定义序列S的元素相映射，属于同一个直线轴运动模块。
进一步地，所述直线轴运动模块几何位姿误差定义算子设计为：
Figure BDA0002635199390000061
式(7)中，Seq指S中的一个元素，对应于一个直线轴运动模块，
Figure BDA0002635199390000062
指矩阵
Figure BDA0002635199390000063
的所有元素，
Figure BDA0002635199390000064
指矩阵
Figure BDA0002635199390000065
的第1到第3个元素，Ltype(1:2)指矩阵Ltype的第1到第2个元素，Ltype(3)指矩阵Ltype的第3个元素，Ltype(1:2)+3和Ltype(3)+3分别指矩阵
Figure BDA0002635199390000066
对应的元素位置。
进一步地，所述旋转轴运动模块几何位姿误差定义算子设计为：
Figure BDA0002635199390000067
式(8)中，
Figure BDA0002635199390000068
表示旋转轴运动模块的几何位姿误差辨识系数矩阵，
Figure BDA0002635199390000071
和
Figure BDA0002635199390000072
分别指矩阵
Figure BDA0002635199390000073
的第i个和第i+3个元素；i指节点模块的类型。
有益效果：
本发明提供的一种可计算的可重构机床几何位姿误差定义方法，通过建立可重构机床结构配置模型，再根据配置模型设计几何位姿误差定义算子，计算几何位姿误差辨识系数矩阵，实现可重构机床几何位姿误差的定义，过程简单，易于编程实现，能够适应不断变化的机床结构配置，降低了现场操作人员的经验要求，可为无人工厂可重构制造系统自主重构环境下误差自主定义乃至建模、分析和补偿奠定基础。
附图说明
图1为本发明实施例的五轴可重构机床结构和配置树示意图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。
本发明提供了一种可计算的可重构机床几何位姿误差定义方法，包括以下步骤：
第一步：确定可重构机床节点模块描述方法，具体描述为：
Figure BDA0002635199390000074
式(1)中，
Figure BDA0002635199390000075
指节点模块集D中的节点模块元素；r用以区分节点模块在可重构机床配置树模型中的位置，如果r＝0，则节点模块在刀具分支，如果r＝1，则节点模块在工件分支；a用以区分不同的运动属性，当a＝0时，对应的节点模块指直线轴运动模块，当a＝1时，对应的节点模块指旋转轴运动模块，当a＝2时，对应的节点模块不提供进给运动；i用以区分节点模块的类型，i＝0，节点模块指床身，i＝1，节点模块指X方向的运动模块，i＝2，节点模块指Y方向的运动模块，i＝3，节点模块指Z方向的运动模块，i＝4，节点模块指主轴，i＝5，节点模块指夹具；j用以区分相同类型和相同运动属性的节点模块，由于配置树模型中有可能出现多个类型和运动属性均相同的节点模块时，所以用j取不同值来区分，当所有节点模块的类型和运动属性都不相同时，那所有节点模块的j取值均为1；k指节点模块在对应分支上的位置；N为自然数。
第二步：采用上述可重构机床节点模块描述方法，根据机床结构中节点模块之间的位置和运动关系，建立可重构机床配置树模型。
可重构机床配置树模型，具体为：
MCT＝{d,e|d∈D,e∈E} (2)
Figure BDA0002635199390000081
式(2)和(3)中，MCT指配置树模型；d与
Figure BDA0002635199390000082
含义相同，指节点模块集D中的节点模块元素；<d1,d2>指配置树中的有序节点模块对，d1代表父节点模块，d2代表子节点模块，父节点模块可以驱动子节点模块运动；f(e)是判别函数，当f(e)＝0时，d1和d2之间不存在装配关系，当f(e)＝1时，d1和d2之间存在装配关系；e指d1和d2之间的装配关系；E指配置树中所有有序节点模块对装配关系的集合。
第三步：根据配置树模型中节点模块配置信息，定义直线轴运动模块和旋转轴运动模块的几何位姿误差通用表达式以及与几何位姿误差一一映射的几何位姿误差辨识系数矩阵。
几何位姿误差通用表达式描述为：
Figure BDA0002635199390000091
式(4)中，
Figure BDA0002635199390000092
表示直线轴运动模块或旋转轴运动模块的几何位姿误差；
Figure BDA0002635199390000093
分别指直线轴运动模块的X方向的平移误差、Y方向的平移误差、Z方向的平移误差、X方向的角度误差、Y方向的角度误差和Z方向的角度误差，或者分别指旋转轴运动模块的X方向的平移误差、Y方向的平移误差、Z方向的平移误差、X方向的角度误差、Y方向的角度误差和Z方向的角度误差；
几何位姿误差辨识系数矩阵，定义为：
Figure BDA0002635199390000094
式(5)中，
Figure BDA0002635199390000095
表示直线轴运动模块或旋转轴运动模块的几何位姿误差辨识系数矩阵；
Figure BDA0002635199390000096
分别指直线轴运动模块的X方向的平移误差辨识系数、Y方向的平移误差辨识系数、Z方向的平移误差辨识系数、X方向的角度误差辨识系数、Y方向的角度误差辨识系数和Z方向的角度误差辨识系数，或者分别指旋转轴运动模块的X方向的平移误差辨识系数、Y方向的平移误差辨识系数、Z方向的平移误差辨识系数、X方向的角度误差辨识系数、Y方向的角度误差辨识系和Z方向的角度误差辨识系数；
Figure BDA0002635199390000101
分别取0或1，当取0时，对应的误差不存在，当取1时，对应的误差存在，其初始值均取1。
第四步：根据配置树模型，确定直线轴运动模块几何位姿误差定义序列和相映射的直线轴运动模块类型矩阵，并设计直线轴运动模块几何位姿误差定义算子。
约定机床旋转轴运动模块始终装配在直线轴运动模块上，当旋转轴运动模块与直线轴运动模块之间有装配关系时，旋转轴运动模块始终是子节点模块。根据刀具分支和工件分支上直线轴运动模块的数目确定直线轴运动模块几何位姿误差定义序列，具体包括：
当直线轴运动模块在工件分支上时，工件分支的直线轴运动模块几何位姿误差定义序列Slw＝kw，kw为工件分支上直线轴运动模块的位置；当直线轴模块在刀具分支上时，刀具分支的直线轴运动模块几何位姿误差定义序列Slt＝kt+nlw，kt为刀具分支上直线轴运动模块的位置，nlw指工件分支上直线轴模块的个数；完整的直线轴运动模块几何位姿误差定义序列为S＝[Slw Slt]，max(S)＝nl，nl指可重构机床刀具分支和工件分支上直线轴运动模块的总个数，一般情况下，nl≤3。
对应于直线轴运动模块几何位姿误差定义序列，记录直线轴运动模块类型矩阵：
Ltype＝[iw(r＝1,0＜kw≤nlw),it(r＝0,0＜kt≤nlt)],nlw+nlt＝nl (6)
式(6)中，nlw和nlt分别指工件分支上直线轴运动模块个数和刀具分支上直线轴运动模块个数，iw指与工件分支上直线轴运动模块位置kw相映射的直线轴运动模块类型，it指与刀具分支上直线轴运动模块位置kt相映射的直线轴运动模块类型，Ltype矩阵的元素与直线轴运动模块几何位姿误差定义序列S的元素相映射，属于同一个直线轴运动模块。
直线轴运动模块几何位姿误差定义算子设计为：
Figure BDA0002635199390000111
式(7)中，Seq指S中的一个元素，对应于一个直线轴运动模块，
Figure BDA0002635199390000112
指矩阵
Figure BDA0002635199390000113
的所有元素，
Figure BDA0002635199390000114
指矩阵
Figure BDA0002635199390000115
的第1到第3个元素，Ltype(1:2)指矩阵Ltype的第1到第2个元素，Ltype(3)指矩阵Ltype的第3个元素，Ltype(1:2)+3和Ltype(3)+3分别指矩阵
Figure BDA0002635199390000116
对应的元素位置。
第五步：根据所述直线轴运动模块几何位姿误差定义序列、相映射的直线轴运动模块类型矩阵和所述直线轴几何位姿误差定义算子，计算直线轴运动模块几何位姿误差辨识系数矩阵。
第六步：设计旋转轴运动模块几何位姿误差定义算子：
Figure BDA0002635199390000117
式(8)中，
Figure BDA0002635199390000118
表示旋转轴运动模块的几何位姿误差辨识系数矩阵，
Figure BDA0002635199390000119
和
Figure BDA00026351993900001110
分别指矩阵
Figure BDA00026351993900001111
的第i个和第i+3个元素；i指节点模块的类型。
第七步：根据旋转轴运动模块类型和所述旋转轴运动模块几何位姿误差定义算子，计算旋转轴运动模块几何位姿误差辨识系数矩阵。
第八步：将计算出的直线轴运动模块几何位姿误差辨识系数矩阵中的元素、旋转轴运动模块几何位姿误差辨识系数矩阵中的元素分别与相应运动模块的几何位姿误差通用表达式中的各元素相乘，筛选出各运动模块的几何位姿误差，完成可重构机床运动模块几何位姿误差的定义。
下面以五轴可重构机床结构为例，如图1所示，该机床包括刀具分支和工件分支。刀具分支和工件分支由床身支承和联接。
刀具分支由Y方向直线轴运动模块Y(02)、X方向直线轴运动模块X(01)、Z方向直线轴运动模块Z(03)和主轴24按一定顺序构成，Y方向直线轴运动模块Y(02)安装在床身20上，X方向直线轴运动模块X(01)安装在Y方向直线轴运动模块Y(02)上，Z方向直线轴运动模块Z(03)安装在X方向直线轴运动模块X(01)上，主轴24安装在Z方向直线轴运动模块Z(03)上。
工件分支由绕Y轴旋转的旋转轴运动模块B(12)(本申请中，称为Y方向旋转轴运动模块)、绕Z轴旋转的旋转轴运动模块C(13)(本申请中，称为Z方向旋转轴运动模块)和夹具25按一定顺序构成，Y方向旋转轴运动模块B(12)安装在床身20上，Z方向旋转轴运动模块C(13)安装在Y方向旋转轴运动模块B(12)上，夹具25安装在Z方向旋转轴运动模块C(13)上。
接下来，对上述五轴可重构机床直线轴运动模块和旋转轴运动模块几何位姿误差进行定义，具体步骤如下：
步骤1：对五轴可重构机床结构的各节点模块进行描述。
Y方向直线轴运动模块Y(02)、X方向直线轴运动模块X(01)、Z方向直线轴运动模块Z(03)和主轴24均在刀具分支上，它们均对应r＝0，刀具分支由床身20承接，因此床身20可以归在刀具分支上，它对应的r也可以取0。Y方向直线轴运动模块Y(02)、X方向直线轴运动模块X(01)、Z方向直线轴运动模块Z(03)均为直线轴运动模块，对应的a＝0；主轴24和床身20均不提供进给运动，对应a＝2。对于床身，i＝0，对于Y方向直线轴运动模块Y(02)，i＝2，X方向直线轴运动模块X(01)，i＝1，Z方向直线轴运动模块Z(03)，i＝3，主轴24对应i＝4。由于这五个节点模块类型和运动属性都不相同，所以j均为1。此外，Y方向直线轴运动模块Y(02)安装在床身20上，X方向直线轴运动模块X(01)安装在Y方向直线轴运动模块Y(02)上，Z方向直线轴运动模块Z(03)安装在X方向直线轴运动模块X(01)上，主轴24安装在Z方向直线轴运动模块Z(03)上，因此，床身20、Y方向直线轴运动模块Y(02)、X方向直线轴运动模块X(01)、Z方向直线轴运动模块Z(03)和主轴24在刀具分支上的位置k依次取值0、1、2、3、4。据此，床身20、Y方向直线轴运动模块Y(02)、X方向直线轴运动模块X(01)、Z方向直线轴运动模块Z(03)、主轴24分别对应描述为
Figure BDA0002635199390000131
Figure BDA0002635199390000132
类似的，Y方向旋转轴运动模块B(12)、Z方向旋转轴运动模块C(13)和夹具25均在工件分支上，因此，它们对应r＝1。Y方向旋转轴运动模块B(12)和Z方向旋转轴运动模块C(13)均为旋转轴运动模块，对应a＝1，夹具25不提供进给运动，对应a＝2。Y方向旋转轴运动模块B(12)对应i＝2，Z方向旋转轴运动模块C(13)对应i＝3，夹具25对应i＝5。由于Y方向旋转轴运动模块B(12)、Z方向旋转轴运动模块C(13)和夹具25类型和运动属性都不相同，所以j均为1。Y方向旋转轴运动模块B(12)安装在床身20上，Z方向旋转轴运动模块C(13)安装在Y方向旋转轴运动模块B(12)上，夹具25安装在Z方向旋转轴运动模块C(13)上，因此，床身20、Y方向旋转轴运动模块B(12)、Z方向旋转轴运动模块C(13)和夹具25依次在工件分支上的位置k依次取值0、1、2、3。其中，床身20已用
Figure BDA0002635199390000141
描述。据此，Y方向旋转轴运动模块B(12)、Z方向旋转轴运动模块C(13)和夹具25分别对应描述为
Figure BDA0002635199390000142
因此，图1中右边配置树的左边分支为工件分支，右边分支为刀具分支。
步骤2：在步骤1的基础上，建立可重构机床配置树模型。
步骤1中描述了各个节点模块之间的安装关系，由其可知，床身
Figure BDA0002635199390000143
与Y方向旋转轴运动模块
Figure BDA0002635199390000144
Y方向旋转轴运动模块
Figure BDA0002635199390000145
与Z方向旋转轴运动模块
Figure BDA0002635199390000146
Z方向旋转轴运动模块
Figure BDA0002635199390000147
与夹具
Figure BDA0002635199390000148
之间，以及床身
Figure BDA0002635199390000149
与Y方向直线轴运动模块
Figure BDA00026351993900001410
Y方向直线轴运动模块
Figure BDA00026351993900001411
与X方向直线轴运动模块
Figure BDA00026351993900001412
X方向直线轴运动模块
Figure BDA00026351993900001413
与Z方向直线轴运动模块
Figure BDA00026351993900001414
Z方向直线轴运动模块
Figure BDA00026351993900001415
与主轴
Figure BDA00026351993900001416
之间分别存在装配关系，由此构建配置树模型MCT如下：
Figure BDA0002635199390000151
步骤3：：确定几何位姿误差通用表达式和与几何位姿误差一一映射的初始几何位姿误差辨识系数矩阵。
几何位姿误差通用表达式：
Figure BDA0002635199390000152
式(10)中，
Figure BDA0002635199390000153
表示Y方向旋转轴运动模块的几何位姿误差，
Figure BDA0002635199390000154
中各元素从左至右依次指Y方向旋转轴运动模块的X方向的平移误差、Y方向的平移误差、Z方向的平移误差、X方向的角度误差、Y方向的角度误差和Z方向的角度误差；
Figure BDA0002635199390000155
表示Z方向旋转轴运动模块的几何位姿误差，
Figure BDA0002635199390000156
中各元素从左至右依次指Z方向旋转轴运动模块的X方向的平移误差、Y方向的平移误差、Z方向的平移误差、X方向的角度误差、Y方向的角度误差和Z方向的角度误差；
Figure BDA0002635199390000157
表示Y方向直线轴运动模块的几何位姿误差，
Figure BDA0002635199390000158
中各元素从左至右依次指Y方向直线轴运动模块的X方向的平移误差、Y方向的平移误差、Z方向的平移误差、X方向的角度误差、Y方向的角度误差和Z方向的角度误差；
Figure BDA0002635199390000161
表示X方向直线轴运动模块的几何位姿误差，
Figure BDA0002635199390000162
中各元素从左至右依次指X方向直线轴运动模块的X方向的平移误差、Y方向的平移误差、Z方向的平移误差、X方向的角度误差、Y方向的角度误差和Z方向的角度误差；
Figure BDA0002635199390000163
表示Z方向直线轴运动模块的几何位姿误差，
Figure BDA0002635199390000164
中各元素从左至右依次指Z方向直线轴运动模块的X方向的平移误差、Y方向的平移误差、Z方向的平移误差、X方向的角度误差、Y方向的角度误差和Z方向的角度误差。
初始几何位姿误差辨识系数矩阵：
Figure BDA0002635199390000165
Figure BDA0002635199390000166
表示Y方向旋转轴运动模块的几何位姿误差辨识系数矩阵,
Figure BDA0002635199390000167
中各元素初始值均取1；
Figure BDA0002635199390000168
表示Z方向旋转轴运动模块的几何位姿误差辨识系数矩阵,
Figure BDA0002635199390000169
中各元素初始值均取1；
Figure BDA00026351993900001610
表示Y方向直线轴运动模块的几何位姿误差辨识系数矩阵，
Figure BDA00026351993900001611
中各元素初始值均取1；
Figure BDA00026351993900001612
表示X方向直线轴运动模块的几何位姿误差辨识系数矩阵，
Figure BDA00026351993900001613
中各元素初始值均取1；
Figure BDA00026351993900001614
表示Z方向直线轴运动模块的几何位姿误差辨识系数矩阵，
Figure BDA00026351993900001615
中各元素初始值均取1。
步骤4：根据配置树模型确定直线轴运动模块几何位姿误差定义序列和相映射的直线轴运动模块类型矩阵，并设计直线轴运动模块几何位姿误差定义算子。
由机床结构可知，该机床直线轴运动模块总个数nl＝3，工件分支上直线轴运动模块的个数nlw＝0，刀具分支上直线轴运动模块包括Y方向直线轴运动模块、X方向直线轴运动模块、Z方向直线轴运动模块，即刀具分支上直线轴运动模块的个数nlt＝3。因此工件分支上直线轴运动模块的几何位姿误差定义序列Slw为空；由于刀具分支上Y方向直线轴运动模块、X方向直线轴运动模块、Z方向直线轴运动模块在刀具分支上的位置kt分别取值为1、2、3，因此刀具分支上直线轴运动模块的几何位姿误差定义序列Slt＝0+1，0+2，0+3，完整的直线轴运动模块几何位姿误差定义序列S＝[1 2 3]，由前述式(6)可知对应于直线轴运动模块几何位姿误差定义序列S的直线轴运动模块类型矩阵Ltype＝[2，1，3]，根据算子式(7)可计算出直线轴运动模块几何位姿误差辨识系数矩阵为：
Figure BDA0002635199390000171
步骤5：旋转轴运动模块包括Y方向旋转轴运动模块和Z方向旋转轴运动模块，对应的模块类型分别为i＝2和i＝3，根据i＝2和i＝3以及算子式(8)可计算出Y方向旋转轴运动模块和Z方向旋转轴运动模块的几何位姿误差辨识系数矩阵为：
Figure BDA0002635199390000172
第五步：将式(12)、式(13)中辨识系数矩阵的各元素分别与式(10)中相应模块的几何位姿误差辨识系数矩阵中各元素相乘，得到该结构可重构机床的11项几何位姿误差：
Figure BDA0002635199390000181
其中，配置树与几何位姿误差定义的计算映射过程如表1所示：
表1 配置树与几何位姿误差的映射关系
Figure BDA0002635199390000182
以上已以较佳实施例公布了本发明，然其并非用以限制本发明，凡采取等同替换或等效变换的方案所获得的技术方案，均落在本发明的保护范围内。

Claims (5)

1.一种可计算的可重构机床几何位姿误差定义方法，其特征在于，包括以下步骤：
采用可重构机床节点模块描述方法，根据机床结构中节点模块之间的位置和运动关系，建立可重构机床配置树模型；所述可重构机床节点模块描述方法为：
Figure FDA0003062019640000011
式(1)中，
Figure FDA0003062019640000012
指节点模块集D中的节点模块元素；r用以区分节点模块在可重构机床配置树模型中的位置，如果r＝0，则节点模块在刀具分支，如果r＝1，则节点模块在工件分支；a用以区分不同的运动属性，当a＝0时，对应的节点模块指直线轴运动模块，当a＝1时，对应的节点模块指旋转轴运动模块，当a＝2时，对应的节点模块不提供进给运动；i用以区分节点模块的类型，i＝0，节点模块指床身，i＝1，节点模块指X方向的运动模块，i＝2，节点模块指Y方向的运动模块，i＝3，节点模块指Z方向的运动模块，i＝4，节点模块指主轴，i＝5，节点模块指夹具；j用以区分相同类型和相同运动属性的节点模块；k指节点模块在对应分支上的位置；N为自然数；建立的可重构机床配置树模型，包括：
MCT＝{d,e|d∈D,e∈E} (2)
Figure FDA0003062019640000021
式(2)和(3)中，MCT指配置树模型；d指节点模块集D中的节点模块元素；<d1,d2>指配置树中的有序节点模块对，d1代表父节点模块，d2代表子节点模块，父节点模块可以驱动子节点模块运动；f(e)是判别函数，当f(e)＝0时，d1和d2之间不存在装配关系，当f(e)＝1时，d1和d2之间存在装配关系；e指d1和d2之间的装配关系；E指配置树中所有有序节点模块对装配关系的集合；
根据配置树模型中节点模块配置信息，定义直线轴运动模块和旋转轴运动模块的几何位姿误差通用表达式以及与几何位姿误差一一映射的几何位姿误差辨识系数矩阵：
Figure FDA0003062019640000022
式(4)中，
Figure FDA0003062019640000023
表示直线轴运动模块或旋转轴运动模块的几何位姿误差；
Figure FDA0003062019640000024
分别指直线轴运动模块的X方向的平移误差、Y方向的平移误差、Z方向的平移误差、X方向的角度误差、Y方向的角度误差和Z方向的角度误差，或者分别指旋转轴运动模块的X方向的平移误差、Y方向的平移误差、Z方向的平移误差、X方向的角度误差、Y方向的角度误差和Z方向的角度误差；
Figure FDA0003062019640000025
式(5)中，
Figure FDA0003062019640000026
表示直线轴运动模块或旋转轴运动模块的几何位姿误差辨识系数矩阵；
Figure FDA0003062019640000027
分别指直线轴运动模块的X方向的平移误差辨识系数、Y方向的平移误差辨识系数、Z方向的平移误差辨识系数、X方向的角度误差辨识系数、Y方向的角度误差辨识系数和Z方向的角度误差辨识系数，或者分别指旋转轴运动模块的X方向的平移误差辨识系数、Y方向的平移误差辨识系数、Z方向的平移误差辨识系数、X方向的角度误差辨识系数、Y方向的角度误差辨识系和Z方向的角度误差辨识系数；
Figure FDA0003062019640000031
分别取0或1，当取0时，对应的误差不存在，当取1时，对应的误差存在，其初始值均取1；
根据配置树模型，确定直线轴运动模块几何位姿误差定义序列和相映射的直线轴运动模块类型矩阵，并设计直线轴运动模块几何位姿误差定义算子；所述直线轴运动模块几何位姿误差定义算子设计为：
Figure FDA0003062019640000032
式(7)中，Seq指S中的一个元素，对应于一个直线轴运动模块，S指直线轴运动模块几何位姿误差定义序列，
Figure FDA0003062019640000033
指矩阵
Figure FDA0003062019640000034
的所有元素，
Figure FDA0003062019640000035
指矩阵
Figure FDA0003062019640000036
的第1到第3个元素，Ltype(1:2)指矩阵Ltype的第1到第2个元素，Ltype(3)指矩阵Ltype的第3个元素，Ltype(1:2)+3和Ltype(3)+3分别指矩阵
Figure FDA0003062019640000037
对应的元素位置,Ltype表示与S相映射的直线轴运动模块类型矩阵；
根据所述直线轴运动模块几何位姿误差定义序列、相映射的直线轴运动模块类型矩阵和所述直线轴几何位姿误差定义算子，计算直线轴运动模块几何位姿误差辨识系数矩阵；
根据配置树模型设计旋转轴运动模块几何位姿误差定义算子为：
Figure FDA0003062019640000041
式(8)中，
Figure FDA0003062019640000042
表示旋转轴运动模块的几何位姿误差辨识系数矩阵，
Figure FDA0003062019640000043
和
Figure FDA0003062019640000044
分别指矩阵
Figure FDA0003062019640000045
的第i个和第i+3个元素；i指节点模块的类型；
根据旋转轴运动模块类型和所述旋转轴运动模块几何位姿误差定义算子，计算旋转轴运动模块几何位姿误差辨识系数矩阵；
将计算出的直线轴运动模块几何位姿误差辨识系数矩阵中的元素、旋转轴运动模块几何位姿误差辨识系数矩阵中的元素分别与相应运动模块的几何位姿误差通用表达式中的各元素相乘，筛选出各运动模块的几何位姿误差，完成可重构机床运动模块几何位姿误差的定义。
2.根据权利要求1所述的一种可计算的可重构机床几何位姿误差定义方法，其特征在于，所述建立可重构机床配置树模型，还包括：约定机床旋转轴运动模块始终装配在直线轴运动模块上，当旋转轴运动模块与直线轴运动模块之间有装配关系时，旋转轴运动模块始终是子节点模块。
3.根据权利要求1所述的一种可计算的可重构机床几何位姿误差定义方法，其特征在于，所述直线轴运动模块几何位姿误差定义序列根据刀具分支和工件分支上直线轴运动模块的数目确定。
4.根据权利要求3所述的一种可计算的可重构机床几何位姿误差定义方法，其特征在于，所述直线轴运动模块几何位姿误差定义序列根据刀具分支和工件分支上直线轴运动模块的数目确定，具体包括：
当直线轴运动模块在工件分支上时，工件分支的直线轴运动模块几何位姿误差定义序列Slw＝kw，kw为工件分支上直线轴运动模块的位置；当直线轴模块在刀具分支上时，刀具分支的直线轴运动模块几何位姿误差定义序列Slt＝kt+nlw，kt为刀具分支上直线轴运动模块的位置，nlw指工件分支上直线轴模块的个数；完整的直线轴运动模块几何位姿误差定义序列S＝[Slw Slt]，max(S)＝nl，nl指可重构机床刀具分支和工件分支上直线轴运动模块的总个数。
5.根据权利要求4所述的一种可计算的可重构机床几何位姿误差定义方法，其特征在于，所述直线轴运动模块类型矩阵，记录为：
Ltype＝[iw(r＝1,0<kw≤nlw),it(r＝0,0<kt≤nlt)],nlw+nlt＝nl (6)
式(6)中，nlw和nlt分别指工件分支上直线轴运动模块个数和刀具分支上直线轴运动模块个数，iw指与工件分支上直线轴运动模块位置kw相映射的直线轴运动模块类型，it指与刀具分支上直线轴运动模块位置kt相映射的直线轴运动模块类型，Ltype矩阵的元素与直线轴运动模块几何位姿误差定义序列S的元素相映射，属于同一个直线轴运动模块。
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Families Citing this family (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN112558547B (zh) * 2021-02-19 2021-06-08 成都飞机工业（集团）有限责任公司 一种五轴数控机床平动轴几何误差补偿数据快速优化方法
CN113156888B (zh) * 2021-05-07 2022-04-01 扬州大学 回转摆头型五轴可重构机床敏感几何误差高效计算方法

Citations (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US6349237B1 (en) * 1997-12-23 2002-02-19 The Regents Of The University Of Michigan Reconfigurable manufacturing system having a production capacity method for designing same and method for changing its production capacity
CN101615022A (zh) * 2009-07-21 2009-12-30 中国科学院数学与系统科学研究院 基于曲面重构的三轴数控机床刀具的半径补偿方法
JP2012035399A (ja) * 2010-08-11 2012-02-23 Shin Nippon Koki Co Ltd 補正マトリクス導出装置、誤差補正装置及び工作機械
CN103034166A (zh) * 2012-11-26 2013-04-10 北京工业大学 一种机床关键性几何误差源识别方法
CN105956301A (zh) * 2016-05-10 2016-09-21 北京理工大学 一种基于功能-概念-决策模型的可重构机床构形设计方法
CN106325207A (zh) * 2016-10-08 2017-01-11 南京工业大学 一种五轴数控制齿机床几何误差实际逆向运动学补偿方法
CN106775599A (zh) * 2017-01-09 2017-05-31 南京工业大学 递归神经网络的多计算单元粗粒度可重构系统及方法
CN108021756A (zh) * 2017-08-23 2018-05-11 北京理工大学 一种基于d-h表示法的可重构机床运动学误差模型建立方法
CN109471408A (zh) * 2018-11-01 2019-03-15 西北工业大学 基于nc代码重构的三轴机床几何误差补偿方法

Family Cites Families (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP4268605B2 (ja) * 2005-09-07 2009-05-27 パナソニック株式会社 無線通信装置および通信制御方法
CN101620431B (zh) * 2009-06-22 2012-02-29 江俊逢 一种对热变形误差进行实时补偿的数字控制方法及系统
US10156873B2 (en) * 2015-12-21 2018-12-18 Dell Products, L.P. Information handling system having fluid manifold with embedded heat exchanger system
CN107703744B (zh) * 2017-09-19 2020-07-14 浙江大学 考虑非线性误差和广义模态的数控机床运动链设计方法

Patent Citations (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US6349237B1 (en) * 1997-12-23 2002-02-19 The Regents Of The University Of Michigan Reconfigurable manufacturing system having a production capacity method for designing same and method for changing its production capacity
CN101615022A (zh) * 2009-07-21 2009-12-30 中国科学院数学与系统科学研究院 基于曲面重构的三轴数控机床刀具的半径补偿方法
JP2012035399A (ja) * 2010-08-11 2012-02-23 Shin Nippon Koki Co Ltd 補正マトリクス導出装置、誤差補正装置及び工作機械
CN103034166A (zh) * 2012-11-26 2013-04-10 北京工业大学 一种机床关键性几何误差源识别方法
CN105956301A (zh) * 2016-05-10 2016-09-21 北京理工大学 一种基于功能-概念-决策模型的可重构机床构形设计方法
CN106325207A (zh) * 2016-10-08 2017-01-11 南京工业大学 一种五轴数控制齿机床几何误差实际逆向运动学补偿方法
CN106775599A (zh) * 2017-01-09 2017-05-31 南京工业大学 递归神经网络的多计算单元粗粒度可重构系统及方法
CN108021756A (zh) * 2017-08-23 2018-05-11 北京理工大学 一种基于d-h表示法的可重构机床运动学误差模型建立方法
CN109471408A (zh) * 2018-11-01 2019-03-15 西北工业大学 基于nc代码重构的三轴机床几何误差补偿方法

Non-Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
ERROR MODELING IN A RECONFIGURABLE MACHINE TOOL;Deepak Giri, Yong-Mo Moon;《ASME 2005 International Design Engineering Technical Conferences & Computers and Information in Engineering Conference》;20050928;第1-7页 *
可重构三轴机床几何误差敏感性变化规律预测;黄浩，黄筱调，于春建，丁爽;《南京工业大学学报( 自然科学版)》;20190531;第41卷(第3期);第343-353页 *
基于连结关系图的网络化可重构机床结构建模;孟秀丽;《计算机集成制造系统》;20151130;第21卷(第11期);第2893-2900页 *

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