一種以抵消變形誤差為目標(biāo)的機(jī)床裝配結(jié)合面設(shè)計(jì)方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種以抵消變形誤差為目標(biāo)的機(jī)床裝配結(jié)合面設(shè)計(jì)方法，在CAD軟件中根據(jù)靜力學(xué)分析要求和機(jī)床結(jié)構(gòu)特點(diǎn)進(jìn)行結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化，然后參數(shù)化裝配機(jī)床實(shí)體模型；將經(jīng)過簡(jiǎn)化和參數(shù)化裝配的實(shí)體模型導(dǎo)入到有限元分析軟件Ansys Workbench中；利用該軟件創(chuàng)建自動(dòng)分析與提取變形的容器，并正交化加工空間位置、網(wǎng)格劃分，同時(shí)完成靜力學(xué)分析與結(jié)果保存；然后通過數(shù)據(jù)學(xué)習(xí)獲得機(jī)床裝配名義結(jié)合面的在考慮整個(gè)加工空間變形情況下的實(shí)際變形量；對(duì)獲得的實(shí)際變形量取反，并將取反后的量與名義結(jié)合面相加作為主動(dòng)設(shè)計(jì)的機(jī)床裝配結(jié)合面；基于蒙特卡洛方法以及最小二乘法，聯(lián)合數(shù)據(jù)回歸技術(shù)，完成裝配結(jié)合面的輪廓度公差設(shè)計(jì)。
【專利說明】
-種從抵消變形誤差為目標(biāo)的機(jī)床裝配結(jié)合面設(shè)計(jì)方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明屬于機(jī)械制造與設(shè)計(jì)領(lǐng)域，設(shè)及一種基于數(shù)據(jù)學(xué)習(xí)的機(jī)床裝配結(jié)合面設(shè)計(jì) 方法，包含了 Workbench自動(dòng)分析與提取變形技術(shù)、結(jié)合面主動(dòng)設(shè)計(jì)技術(shù)W及結(jié)合面輪廓度 公差設(shè)計(jì)技術(shù)，具體設(shè)及一種W抵消變形誤差為目標(biāo)的機(jī)床裝配結(jié)合面設(shè)計(jì)方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 數(shù)控機(jī)床在切削力、夾緊力、重力和慣性力等作用下會(huì)產(chǎn)生明顯附加幾何變形，從 而破壞機(jī)床各組成部分原有的相互位置關(guān)系，產(chǎn)生附加加工誤差，運(yùn)被稱作變形(力)誤差。 研究指出變形誤差占到機(jī)床所有誤差的12%，是導(dǎo)致機(jī)床空間誤差的第=大誤差源。世界 頂級(jí)機(jī)床制造廠S井精機(jī)生產(chǎn)的超過精密機(jī)床7CN定位精度達(dá)到0.5um，在其官網(wǎng)上指出通 過刮研裝配結(jié)合面有效降低了變形誤差；國(guó)際著名機(jī)床廠DIXI指出其最高精度產(chǎn)品 DIXI270通過超過500小時(shí)的刮研也有效降低了變形誤，保證了單軸精度W及軸與軸之間的 誤差;我國(guó)著名機(jī)床主機(jī)廠，昆明機(jī)床、秦川機(jī)床等，在機(jī)床零件圖紙上都會(huì)標(biāo)注(-)或(+ ) 作為直線度、平面度的附加要求來降低變形誤差對(duì)加工誤差的影響。
[0003] 通過刮研削裝配結(jié)合面來抵消幾何變形對(duì)加工精度的破壞是機(jī)床制造企業(yè)的重 要手段，然而將機(jī)床裝配結(jié)合面刮研削為何種形狀，即在何處刮研，刮研多少等問題上，嚴(yán) 重依賴經(jīng)驗(yàn)，缺乏科學(xué)合理定量化的技術(shù)方案。本質(zhì)上講是缺乏在考慮零件變形情況下的 零件輪廓形狀設(shè)計(jì)方法。
[0004] 在對(duì)機(jī)床結(jié)合面主動(dòng)設(shè)計(jì)為數(shù)不多的研究中，大連理工的Sun等利用多形式擬合 方法，對(duì)導(dǎo)軌結(jié)合面進(jìn)行了"預(yù)變形"設(shè)計(jì)來抵消進(jìn)給系統(tǒng)因?yàn)樗苄巫冃螌?dǎo)致的誤差，但沒 有從機(jī)床整機(jī)角度進(jìn)行裝配結(jié)合面主動(dòng)設(shè)計(jì)；同時(shí)該方法是針對(duì)機(jī)床滑動(dòng)結(jié)合面，對(duì)機(jī)床 固定結(jié)合面不適用；并且用多項(xiàng)式擬合方法只適用于構(gòu)建二維輪廓，對(duì)于常見的機(jī)床=維 裝配結(jié)合面輪廓不具有可行性。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明的目的在于針對(duì)當(dāng)前機(jī)床制造主機(jī)廠缺乏科學(xué)合理、定量化的機(jī)床裝配結(jié) 合面輪廓設(shè)計(jì)方法，嚴(yán)重依賴錯(cuò)工經(jīng)驗(yàn)，W及針對(duì)當(dāng)前結(jié)合面設(shè)計(jì)僅能針對(duì)二維形狀的缺 陷的現(xiàn)狀，提出一種W抵消變形誤差為目標(biāo)的機(jī)床裝配結(jié)合面設(shè)計(jì)方法，該方法基于數(shù)據(jù) 學(xué)習(xí)方式，考慮整個(gè)加工空間變形的結(jié)合面輪廓及其輪廓度公差，能夠大大降低變形誤差。
[0006] 為達(dá)到上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案為：
[0007] -種W抵消變形誤差為目標(biāo)的機(jī)床裝配結(jié)合面設(shè)計(jì)方法，包括W下步驟：
[000引1)在CAD軟件中根據(jù)靜力學(xué)分析要求和機(jī)床結(jié)構(gòu)特點(diǎn)進(jìn)行機(jī)床實(shí)體模型簡(jiǎn)化； [0009] 2)在CAD軟件中參數(shù)化裝配機(jī)床實(shí)體模型，得到參數(shù)化的裝配體模型；
[0010] 3)利用Ansys Workbench軟件將機(jī)床加工空間正交化，得到正交化的加工空間點(diǎn)；
[0011] 4)將參數(shù)化的裝配體模型和正交化的加工空間點(diǎn)導(dǎo)入到Ansys Workbench容器 中；
[001^ 5)基于Ansys Workbench容器中得到的加工空間變形數(shù)據(jù)，利用數(shù)據(jù)學(xué)習(xí)方式，完 成裝配結(jié)合面的設(shè)計(jì)；
[0013] 6)基于蒙特卡洛方法W及最小二乘法，聯(lián)合數(shù)據(jù)回歸方法，完成裝配結(jié)合面輪廓 度公差設(shè)計(jì)。
[0014] 所述步驟1)中機(jī)床實(shí)體模型簡(jiǎn)化包括W下步驟：
[0015] (1)刪除尺寸<20mm的圓角和倒角；
[0016] (2)刪除不影響分析計(jì)算的特征，包括螺釘孔、螺栓孔和注油孔；
[0017] (3)傳動(dòng)系統(tǒng)簡(jiǎn)化，包括:減速箱內(nèi)部使用等效質(zhì)量代替進(jìn)行結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化，絲杠結(jié)構(gòu) 使用簡(jiǎn)單圓柱代替；
[0018] (4)主軸結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化，進(jìn)行整機(jī)分析時(shí)，主軸作為整體結(jié)構(gòu)考慮，使用等效實(shí)體模型 和等效質(zhì)量代替主軸；
[0019] (5)運(yùn)用質(zhì)量點(diǎn)代替對(duì)整機(jī)結(jié)構(gòu)剛性不產(chǎn)生影響的輔助結(jié)構(gòu)，包括驅(qū)動(dòng)電機(jī)和配 重；
[0020] (6)為保證單元質(zhì)量，刪除或修改模型中尺寸<20mm的平面特征；
[0021 ] (7)當(dāng)零件數(shù)量較多時(shí)，對(duì)材料相同的螺栓連接部件進(jìn)行合并；
[0022] (8)修改調(diào)整墊片模型尺寸，保證各零部件的準(zhǔn)確裝配。
[0023] 所述步驟2)中的參數(shù)化裝配是指對(duì)于會(huì)隨著機(jī)床運(yùn)動(dòng)軸位置改變而發(fā)生位置改 變的機(jī)床大件，參數(shù)化其裝配位置，對(duì)于不隨著機(jī)床運(yùn)動(dòng)軸位置改變的其他零部件，不參數(shù) 化其裝配位置;其中會(huì)隨著機(jī)床運(yùn)動(dòng)軸位置改變而發(fā)生位置改變的機(jī)床大件包括滑鞍、主 軸箱、工作臺(tái)和托板。
[0024] 所述步驟3)中將機(jī)床加工空間正交化是指選擇機(jī)床各個(gè)軸的行程、切削力、裝夾 工件重量作為正交試驗(yàn)因素，根據(jù)機(jī)床常用加工的行程范圍、切削力范圍、常加工工件重 量，在Ansys Wor化ench中設(shè)置上述因素的上下限，利用Ansys Wor化ench的自動(dòng)正交化功 能，完成正交試驗(yàn)點(diǎn)的設(shè)計(jì)，得到正交化的加工空間點(diǎn)。
[0025] 所述步驟4)具體為：將參數(shù)化的裝配體模型和正交化的加工空間點(diǎn)導(dǎo)入Ansys Workbench容器中，并進(jìn)行接觸設(shè)定、網(wǎng)格劃分和材料參數(shù)設(shè)定，其中對(duì)于機(jī)床整機(jī)結(jié)構(gòu)，網(wǎng) 格劃分的單元尺寸為IOmm至IOOmm之間，并在結(jié)構(gòu)復(fù)雜、受力狀況復(fù)雜W及關(guān)屯、的危險(xiǎn)點(diǎn)處 進(jìn)行網(wǎng)格細(xì)化。
[00%]所述步驟5)中的數(shù)據(jù)學(xué)習(xí)方式包括兩個(gè)，具體如下：
[0027]數(shù)據(jù)學(xué)習(xí)方式一:在機(jī)床各個(gè)軸位于固定位置時(shí)，設(shè)裝配結(jié)合面為S，任取一點(diǎn)Po GS，其坐標(biāo)為（xo，yo，zo); WPo為圓屯、，Wr為半徑在結(jié)合面S上作圓，將包含在該圓域內(nèi)的 點(diǎn)Pi的變形量取加權(quán)算數(shù)平均，將該加權(quán)算數(shù)平均值作為Po點(diǎn)的變形量So，其中加權(quán)算數(shù)平 均值的權(quán)值P為Pi與Po距離的倒數(shù)，Pi的變形量存在于Ansys Workbench容器的結(jié)果文件中， Pi的坐標(biāo)為(Xi，yi，Zi)，i = 1~t，t為該圓域內(nèi)所有點(diǎn)的總個(gè)數(shù);其中So和P的計(jì)算公式如下；
[002引
[0029]
[0030]
[0031] 式中，di是點(diǎn)Pi與點(diǎn)Po的距離，S功Pi的變形量；
[0032] 數(shù)據(jù)學(xué)習(xí)方式二:設(shè)正交化的加工空間點(diǎn)的總個(gè)數(shù)為n，當(dāng)機(jī)床各個(gè)軸位于加工空 間點(diǎn)k對(duì)應(yīng)的位置時(shí)，k=l~n，P〇通過數(shù)據(jù)學(xué)習(xí)方式一得到的變形量為《，將機(jī)床各個(gè)軸位 于n個(gè)加工空間點(diǎn)時(shí)Po得到的所有變形量取平均，作為Po在整個(gè)加工空間中的變形量《；其 中《通討下井A傳.
[0033]
[0034] 所述步驟5)中裝配結(jié)合面的設(shè)計(jì)具體為：
[0035] a)定義空間平面Fn為裝配名義結(jié)合面，F(xiàn)n的邊界由初始的實(shí)際裝配結(jié)合面的幾何 參數(shù)確走，F(xiàn)n由網(wǎng)格化的散點(diǎn)Pij (Pijx, Pijy ,Pijz)組成；
[0036] b)定義面Fd為設(shè)計(jì)的結(jié)合面，F(xiàn)d由點(diǎn)兮(馬，與；.，巧;)組成，由W下公式得到：
[0037]
[00；3 引
[0039]
[0040] 其中SxA、Sz分別為Pi姻過數(shù)據(jù)學(xué)習(xí)方式二獲得的其在x、y、z^個(gè)方向的變形量， Fd即為裝配結(jié)合面設(shè)計(jì)的結(jié)果。
[0041 ]所述步驟6)中裝配結(jié)合面輪廓度公差設(shè)計(jì)具體為：
[0042] 設(shè)結(jié)合面Fd允許的最大角度偏差為攝，需要設(shè)計(jì)的結(jié)合面輪廓度公差為T，設(shè)m為[- 1，1]之間的隨機(jī)數(shù)，利用W下公式可W生成滿足結(jié)合面輪廓度公差T要求的結(jié)合面Fd'，設(shè) Fd '上的點(diǎn)為6.(馬,，與,，盡），A的計(jì)算公式如下：
[0043]
[0044]
[0045]
[0046] 然后利用最小二乘法擬合得到結(jié)合面Fd'的最小二乘平面，設(shè)該最小二乘平面的 法向量為次，則結(jié)合面Fd '導(dǎo)致的角度偏差為《 (CO X，《 y，《 Z)，《的計(jì)算公式如下：
[0047]
[004引
[0049]
[0050] 重復(fù)n次上述運(yùn)算，得到n組結(jié)合面輪廓度公差對(duì)應(yīng)的n組角度偏差，利用數(shù)據(jù)回歸 方法得到結(jié)合面輪廓度公差T與角度偏差CO之間的映射關(guān)系，通過該映射關(guān)系，在給定角度 偏差為&時(shí)對(duì)應(yīng)的結(jié)合面輪廓度公差即為設(shè)計(jì)出的裝配結(jié)合面輪廓度公差。
[0051] 相對(duì)于現(xiàn)有技術(shù)，本發(fā)明的有益效果為：
[0052] 本發(fā)明提出的W抵消變形誤差為目標(biāo)的機(jī)床裝配結(jié)合面設(shè)計(jì)方法，通過簡(jiǎn)化不影 響分析結(jié)果的機(jī)床結(jié)構(gòu)，減少了有限元分析計(jì)算量;同時(shí)，基于參數(shù)化裝配方法，聯(lián)合Ansys Workbench軟件構(gòu)建了Ansys Wor化ench自動(dòng)化求解與保存容器，極大的提高了分析效率； 并且在構(gòu)建兩種數(shù)據(jù)學(xué)習(xí)方式的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)了機(jī)床=維裝配結(jié)合面的科學(xué)定量化的反變 形設(shè)計(jì)，避免了任意=維曲面函數(shù)表達(dá)的困境;通過對(duì)整個(gè)加工空間變形的裝配結(jié)合面輪 廓及其輪廓度公差設(shè)計(jì)，降低了制造難度，保證了工藝可行性。本發(fā)明通過基于數(shù)據(jù)學(xué)習(xí)方 式來設(shè)計(jì)機(jī)床裝配結(jié)合面，擺脫了=維變形曲面函數(shù)表達(dá)的難題，同時(shí)效果良好，主變形方 向變形誤差降低率達(dá)到了 95.3%。
【附圖說明】
[0053] 圖1為某型號(hào)精密邸式坐標(biāo)僮床，其中左邊為實(shí)物圖，右邊為機(jī)床結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖；
[0054] 圖2為參數(shù)化裝配示意圖，其中（a)、（b)、（c)分別為X、Y、Z方向裝配距離參數(shù)化示 意圖；
[0055] 圖3為裝配結(jié)合面選擇圖；
[0056] 圖4為Ansys Workbench自動(dòng)分析與提取數(shù)據(jù)容器的截圖；
[0057] 圖5為主動(dòng)設(shè)計(jì)的床身立柱結(jié)合面的設(shè)計(jì)結(jié)果圖；
[0058] 圖6為無抗變形設(shè)計(jì)實(shí)際變形云圖；
[0059] 圖7為有抗變形設(shè)計(jì)時(shí)實(shí)際變形云圖；
[0060] 其中：1為立柱，2為滑鞍，3為主軸箱，4為工作臺(tái)，5為托板，6為床身，7為X軸，8為X 軸距離參數(shù)化，9為Y軸，10為Y軸距離參數(shù)化，11為Z軸，12為Z軸距離參數(shù)化，13為滑鞍主軸 箱結(jié)合面，14為工件工作臺(tái)結(jié)合面，15為立柱滑鞍結(jié)合面，16為床身立柱結(jié)合面，17為床身 工作臺(tái)結(jié)合面。
【具體實(shí)施方式】
[0061] W某型精密坐標(biāo)僮床的床身立柱結(jié)合面主動(dòng)設(shè)計(jì)為例，結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明進(jìn)行詳 細(xì)說明。
[0062] 一、Ansys Workbench自動(dòng)分析與提取加工空間變形
[0063] (1)機(jī)床結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化
[0064] 1)刪除零件中小尺寸(尺寸<20mm)的圓角和倒角；
[0065] 2)刪除安裝螺栓孔、螺釘孔、注油孔等不影響分析計(jì)算的小特征；
[0066] 3)傳動(dòng)系統(tǒng)簡(jiǎn)化:去掉大框架結(jié)構(gòu)內(nèi)部的齒輪，滿輪蝸桿等傳動(dòng)機(jī)構(gòu)。在整機(jī)分析 中只保留外殼體、主軸和傳動(dòng)軸=個(gè)零件，通過更改其材料密度屬性來等效原始結(jié)構(gòu)的質(zhì) 量特征。刪除所有電機(jī)模型，在分析模型中W質(zhì)量點(diǎn)等效代替；
[0067] 4)將絲杠用圓柱模型代替；
[0068] 5)由于網(wǎng)格劃分中最小網(wǎng)格尺寸的限制，刪除或修改尺寸過?。?lt;20mm)的凸臺(tái)或 凹槽特征；
[0069] 機(jī)床實(shí)際模型如圖1(a)所示，簡(jiǎn)化完成之后的該機(jī)床如圖1(b)所示。
[0070] (2)機(jī)床參數(shù)化裝配
[0071] 在CAD軟件中裝配機(jī)床零件時(shí)，為了能實(shí)現(xiàn)上述自動(dòng)提取加工空間變形要求，對(duì)滑 鞍左側(cè)到立柱左側(cè)的距離（圖2(a))、主軸箱下側(cè)到滑鞍下側(cè)的距離（圖2(b))、托板前側(cè)到 立柱前側(cè)的距離（圖2(c))進(jìn)行了參數(shù)化處理。
[0072] (3)正交化加工空間
[0073] 選擇參數(shù)化的裝配位置、切削力、裝夾工件重量作為正交設(shè)計(jì)因素，根據(jù)機(jī)床實(shí)際 可能情況，在ANSYS Woricbench中設(shè)置好運(yùn)些因素的上下限，利用Ansys Woricbench的自動(dòng) 正交化功能，完成正交試驗(yàn)點(diǎn)的設(shè)計(jì)。
[0074] 將機(jī)床的X、Y、Z軸位置，切削力，工件重量作為正交試驗(yàn)的因素，其取值的范圍如 表1所示。
[0075] 表1正交試驗(yàn)因素取值范圍 「m7Al
[0078] (4)Ansys Workbench自動(dòng)分析與提取變形數(shù)據(jù)
[00巧]1)將參數(shù)化裝配處理的CAD文件直接通過Ansys Wor化ench的Geomet巧模塊導(dǎo)入 到Ansys Wor化ench容器中。通過布爾運(yùn)算將相關(guān)零件合并，可W減少模型中零件數(shù)量，減 少結(jié)合面的設(shè)置，降低有限元計(jì)算量。在Ansys Wor化ench材料參數(shù)庫(kù)中，選擇和建立分析 模型中需要的材料參數(shù)。在本實(shí)施例中，結(jié)合面主要分為兩類，一類是螺栓連接或貼塑面粘 接的固定結(jié)合面，一類是導(dǎo)軌連接的滑動(dòng)結(jié)合面。分析中將螺栓連接和貼塑面粘接的固定 連接結(jié)合面設(shè)置為Bonded(粘接），而導(dǎo)軌連接的滑動(dòng)結(jié)合面設(shè)置為No S巧aration(滑動(dòng)不 分離）。
[0080] 2)網(wǎng)格劃分
[0081] 由于機(jī)床整機(jī)模型幾何尺寸較大，零部件數(shù)量較多且結(jié)構(gòu)復(fù)雜，可W設(shè)置網(wǎng)格尺 寸為50mm，在結(jié)構(gòu)復(fù)雜和主軸端部等重點(diǎn)關(guān)屯、區(qū)域進(jìn)行網(wǎng)格細(xì)化。
[0082] 3)邊界條件施加
[0083] 在Ansys Workbench軟件中設(shè)置靜剛度分析邊界條件，包括:重力、切削力、地腳螺 栓固定約束等。進(jìn)行靜力結(jié)構(gòu)分析，選擇如圖3所示的裝配結(jié)合面，將運(yùn)些結(jié)合面的分析結(jié) 果進(jìn)行保存。
[0084] 上述設(shè)置完成之后，便搭建完成結(jié)合面在整個(gè)加工空間的變形量自動(dòng)求解與保存 容器(Ansys Wor化ench容器）。如圖4所示。
[0085] 二、基于數(shù)據(jù)學(xué)習(xí)的裝配結(jié)合面設(shè)計(jì)
[0086] (I)數(shù)據(jù)學(xué)習(xí)方式定義
[0087] 1)定義學(xué)習(xí)方式一:在機(jī)床各個(gè)軸位于固定位置時(shí)，設(shè)裝配結(jié)合面為S，任取一點(diǎn) PoGS,其坐標(biāo)為(xo，yo，zo); WPo為圓屯、，Wr為半徑在結(jié)合面S上作圓；將包含在該圓域內(nèi)的 點(diǎn)PiQ = I~t，t為該圓域內(nèi)所有點(diǎn)的總個(gè)數(shù)）的變形量取加權(quán)算數(shù)平均;將該加權(quán)算數(shù)平 均值作為Po點(diǎn)的變形量，其中加權(quán)算數(shù)平均值的權(quán)值為Pi與Po距離的倒數(shù)，Pi的變形量存在 于Ansys Worlcbench容器的結(jié)果文件中，Pi的坐標(biāo)為(Xi,yi,Zi)。
[0088；
[0089；
[0090；
[0091] 式中，di是點(diǎn)Pi與點(diǎn)Po的距離。So為Po的變形量，S功Pi的變形量
[0092] 2)定義學(xué)習(xí)方式二:設(shè)加工空間正交化產(chǎn)生的正交實(shí)驗(yàn)點(diǎn)總個(gè)數(shù)為n，Po通過學(xué)習(xí) 方式一去學(xué)習(xí)正交試驗(yàn)點(diǎn)k化=1~n)的變形數(shù)據(jù)獲得變形量或，將運(yùn)n個(gè)正交試驗(yàn)點(diǎn)通過 學(xué)習(xí)得到的變形量取平均作為點(diǎn)Po在整個(gè)加工空間中的變形量爲(wèi)。其中《為當(dāng)機(jī)床各個(gè)軸 位于正交試驗(yàn)點(diǎn)k對(duì)應(yīng)的位置時(shí)由學(xué)習(xí)方式一得到的Po的變形量So
[0093]
[0094] =、裝配結(jié)合面設(shè)計(jì)
[0095] 1)定義空間平面Fn為裝配名義結(jié)合面，F(xiàn)n的邊界由初始的實(shí)際裝配結(jié)合面的幾何 參數(shù)確走，由網(wǎng)格化的散點(diǎn)Pij (Pijx ,Pijy ,Pijz )組成。
[0096] 2)定義面Fa為變形后的實(shí)際結(jié)合面，F(xiàn)a由點(diǎn)p/u(p/化，p/uy，p/Uz)組成，由W 下公式得到：
[0097] ijx = Pijx+5x
[009引 P' ijy = Pijy+Sy
[0099] P'ijz = Pijz+Sz
[0100] SxA、Sz分別為Pi姻過學(xué)習(xí)方式二獲得的x、y、zS個(gè)方向的變形量。
[0101] 則定義面Fd為設(shè)計(jì)的結(jié)合面，F(xiàn)油點(diǎn)《巧;，磅，請(qǐng)煙成，磚由W下公式得到：
[0102]
[0103]
[0104]
[0105] 將Fd作為裝配結(jié)合面設(shè)計(jì)的結(jié)果。所設(shè)計(jì)的Fd可W減弱甚至抵消裝加工空間的變 形誤差，預(yù)期可W提高機(jī)床12%的機(jī)床加工精度。
[0106] 采用本文提出的上述裝配結(jié)合面設(shè)計(jì)方法，考慮整個(gè)加工空間受載變形，通過學(xué) 習(xí)方式二的變形數(shù)據(jù)獲取W及公式進(jìn)行設(shè)計(jì)，得到圖5的設(shè)計(jì)結(jié)果。
[0107] 四、裝配結(jié)合面輪廓度公差設(shè)計(jì)
[0108] 輪廓度公差設(shè)計(jì)方法:設(shè)結(jié)合面Fd允許的最大角度偏差為竊，需要設(shè)計(jì)的結(jié)合面輪 廓度公差為T，設(shè)m為[-1,1]之間的隨機(jī)數(shù)。利用W下公式可W生成滿足公差T要求的結(jié)合面
Fd'，設(shè)Fd'上的點(diǎn)為巧(44,，皆）。
[0109]
[0110]
[0111]
[0112] 利用最小二乘法擬合得到Fd'的最小二乘平面，設(shè)該最小二乘平面的法向量為巧， 那么Fd'骨敵的#1度偏差《 ( "X，Uy, ?z)為：
[0113]
[0114]
[0115]
[0116] 設(shè)有n次蒙特卡洛運(yùn)算，即有n組輪廓度公差導(dǎo)致的n組角度偏差。利用數(shù)據(jù)回歸方 法可W得到輪廓度公差T與角度偏差CO之間的映射關(guān)系。在給定角度偏差竊之后，即可完成 輪廓度公差的設(shè)計(jì)。
[0117] 具體的，利用本發(fā)明提出的結(jié)合面輪廓度公差設(shè)計(jì)方法，利用線性回歸方法，采用 matlab進(jìn)行數(shù)值計(jì)算，將最大角度偏差為竊設(shè)定為lXl(T7rad，得到結(jié)合面輪廓度公差T為 0.010mm。
[0118] 為了驗(yàn)證設(shè)計(jì)效果及本方法的有效性，在參數(shù)化裝配位置取1100,850,1130(xo/ yo/zo)時(shí)，將本設(shè)計(jì)結(jié)果再次用Ansys Woricbench進(jìn)行計(jì)算，并對(duì)比有無結(jié)合面抗變形設(shè)計(jì) 時(shí)，床身立柱結(jié)合面導(dǎo)致的角度偏差W及平面度，如表2所示。
[0119] 表2床身立柱結(jié)合面變形角度偏差 E。J OO1
[0121] 從表2中可W發(fā)現(xiàn)，采用本方法(有抗變形設(shè)計(jì))后角度偏差大大減小到可W忽略 不計(jì)的程度，在主變形Y方向上，角度偏差降低了 95.3%，同時(shí)結(jié)合面的平面度也變得更好。
[0122] 將Ansys Wor化ench計(jì)算的床身立柱結(jié)合面變形結(jié)果數(shù)據(jù)用matlab顯示出來，可 W明顯的發(fā)現(xiàn)無抗變形設(shè)計(jì)時(shí)，如圖6所示，結(jié)合面變形量數(shù)量級(jí)在1(T6,有抗變形設(shè)計(jì)之 后，如圖7所示，數(shù)量級(jí)降低到1(T7,抗變形效果十分顯著。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種以抵消變形誤差為目標(biāo)的機(jī)床裝配結(jié)合面設(shè)計(jì)方法，其特征在于，包括以下步 驟： 1) 在CAD軟件中根據(jù)靜力學(xué)分析要求和機(jī)床結(jié)構(gòu)特點(diǎn)進(jìn)行機(jī)床實(shí)體模型簡(jiǎn)化； 2) 在CAD軟件中參數(shù)化裝配機(jī)床實(shí)體模型，得到參數(shù)化的裝配體模型； 3) 利用Ansys Workbench軟件將機(jī)床加工空間正交化，得到正交化的加工空間點(diǎn)； 4) 將參數(shù)化的裝配體模型和正交化的加工空間點(diǎn)導(dǎo)入到Ansys Workbench容器中； 5) 基于Ansys Workbench容器中得到的加工空間變形數(shù)據(jù)，利用數(shù)據(jù)學(xué)習(xí)方式，完成裝 配結(jié)合面的設(shè)計(jì)； 6) 基于蒙特卡洛方法以及最小二乘法，聯(lián)合數(shù)據(jù)回歸方法，完成裝配結(jié)合面輪廓度公 差設(shè)計(jì)。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的以抵消變形誤差為目標(biāo)的機(jī)床裝配結(jié)合面設(shè)計(jì)方法，其特征 在于，所述步驟1)中機(jī)床實(shí)體模型簡(jiǎn)化包括以下步驟： (1) 刪除尺寸〈20_的圓角和倒角； (2) 刪除不影響分析計(jì)算的特征，包括螺釘孔、螺栓孔和注油孔； (3) 傳動(dòng)系統(tǒng)簡(jiǎn)化，包括:減速箱內(nèi)部使用等效質(zhì)量代替進(jìn)行結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化，絲杠結(jié)構(gòu)使用 簡(jiǎn)單圓柱代替； (4) 主軸結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化，進(jìn)行整機(jī)分析時(shí)，主軸作為整體結(jié)構(gòu)考慮，使用等效實(shí)體模型和等 效質(zhì)量代替主軸； (5) 運(yùn)用質(zhì)量點(diǎn)代替對(duì)整機(jī)結(jié)構(gòu)剛性不產(chǎn)生影響的輔助結(jié)構(gòu)，包括驅(qū)動(dòng)電機(jī)和配重； (6) 為保證單元質(zhì)量，刪除或修改模型中尺寸<20mm的平面特征； (7) 當(dāng)零件數(shù)量較多時(shí)，對(duì)材料相同的螺栓連接部件進(jìn)行合并； (8) 修改調(diào)整墊片模型尺寸，保證各零部件的準(zhǔn)確裝配。3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的以抵消變形誤差為目標(biāo)的機(jī)床裝配結(jié)合面設(shè)計(jì)方法，其特征 在于，所述步驟2)中的參數(shù)化裝配是指對(duì)于會(huì)隨著機(jī)床運(yùn)動(dòng)軸位置改變而發(fā)生位置改變的 機(jī)床大件，參數(shù)化其裝配位置，對(duì)于不隨著機(jī)床運(yùn)動(dòng)軸位置改變的其他零部件，不參數(shù)化其 裝配位置;其中會(huì)隨著機(jī)床運(yùn)動(dòng)軸位置改變而發(fā)生位置改變的機(jī)床大件包括滑鞍、主軸箱、 工作臺(tái)和托板。4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的以抵消變形誤差為目標(biāo)的機(jī)床裝配結(jié)合面設(shè)計(jì)方法，其特征 在于，所述步驟3)中將機(jī)床加工空間正交化是指選擇機(jī)床各個(gè)軸的行程、切削力、裝夾工件 重量作為正交試驗(yàn)因素，根據(jù)機(jī)床常用加工的行程范圍、切削力范圍、常加工工件重量，在 Ansys Workbench中設(shè)置上述因素的上下限，利用Ansys Workbench的自動(dòng)正交化功能，完 成正交試驗(yàn)點(diǎn)的設(shè)計(jì)，得到正交化的加工空間點(diǎn)。5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的以抵消變形誤差為目標(biāo)的機(jī)床裝配結(jié)合面設(shè)計(jì)方法，其特征 在于，所述步驟4)具體為：將參數(shù)化的裝配體模型和正交化的加工空間點(diǎn)導(dǎo)入Ansys Workbench容器中，并進(jìn)行接觸設(shè)定、網(wǎng)格劃分和材料參數(shù)設(shè)定，其中對(duì)于機(jī)床整機(jī)結(jié)構(gòu)，網(wǎng) 格劃分的單元尺寸為1〇_至100mm之間，并在結(jié)構(gòu)復(fù)雜、受力狀況復(fù)雜以及關(guān)心的危險(xiǎn)點(diǎn)處 進(jìn)行網(wǎng)格細(xì)化。6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的以抵消變形誤差為目標(biāo)的機(jī)床裝配結(jié)合面設(shè)計(jì)方法，其特征 在于，所述步驟5)中的數(shù)據(jù)學(xué)習(xí)方式包括兩個(gè)，具體如下： 數(shù)據(jù)學(xué)習(xí)方式一:在機(jī)床各個(gè)軸位于固定位置時(shí)，設(shè)裝配結(jié)合面為s，任取一點(diǎn)P〇 e S，其 坐標(biāo)為(χ()，y()，z());以P()為圓心，以r為半徑在結(jié)合面S上作圓，將包含在該圓域內(nèi)的點(diǎn)Pi的變 形量取加權(quán)算數(shù)平均，將該加權(quán)算數(shù)平均值作為P〇點(diǎn)的變形量知，其中加權(quán)算數(shù)平均值的權(quán) 值P為Pi與P〇距離的倒數(shù)，Pi的變形量存在于Ansys Workbench容器的結(jié)果文件中，Pi的坐標(biāo) 為(Xi，yi，zi)，i = l~t，t為該圓域內(nèi)所有點(diǎn)的總個(gè)數(shù);其中δ〇和p的計(jì)算公式如下：式中，di是點(diǎn)Pi與點(diǎn)Ρο的距尚，δ?為Pi的變形量； 數(shù)據(jù)學(xué)習(xí)方式二:設(shè)正交化的加工空間點(diǎn)的總個(gè)數(shù)為n，當(dāng)機(jī)床各個(gè)軸位于加工空間點(diǎn) k對(duì)應(yīng)的位置時(shí)，k = l~n，PQ通過數(shù)據(jù)學(xué)習(xí)方式一得到的變形量為被，將機(jī)床各個(gè)軸位于η 個(gè)加工空間點(diǎn)時(shí)Ρο得到的所有變形量取平均，作為Ρο在整個(gè)加工空間中的變形量名;其中< 通過下式計(jì)算：7. 根據(jù)權(quán)利要求6所述的以抵消變形誤差為目標(biāo)的機(jī)床裝配結(jié)合面設(shè)計(jì)方法，其特征 在于，所述步驟5)中裝配結(jié)合面的設(shè)計(jì)具體為： a) 定義空間平面Fn為裝配名義結(jié)合面，邊界由初始的實(shí)際裝配結(jié)合面的幾何參數(shù) 確定，F(xiàn)d網(wǎng)格化的散點(diǎn)組成； b) 定義面Fd為設(shè)計(jì)的結(jié)合面，F(xiàn)d由點(diǎn)4(在_,盡.，/1)組成，蹲由以下公式得到：其中δχ、δγ、δζ分別為P^i過數(shù)據(jù)學(xué)習(xí)方式二獲得的其在x、y、 z三個(gè)方向的變形量，F(xiàn)d即 為裝配結(jié)合面設(shè)計(jì)的結(jié)果。8. 根據(jù)權(quán)利要求7所述的以抵消變形誤差為目標(biāo)的機(jī)床裝配結(jié)合面設(shè)計(jì)方法，其特征 在于，所述步驟6)中裝配結(jié)合面輪廓度公差設(shè)計(jì)具體為： 設(shè)結(jié)合面Fd允許的最大角度偏差為65,需要設(shè)計(jì)的結(jié)合面輪廓度公差為T，設(shè)m為[_1，1] 之間的隨機(jī)數(shù)，利用以下公式可以生成滿足結(jié)合面輪廓度公差T要求的結(jié)合面Fd'，設(shè)Fd'上 的點(diǎn)為與(H4) 4的計(jì)算公式如下：然后利用最小二乘法擬合得到結(jié)合面Fd'的最小二乘平面，設(shè)該最小二乘平面的法向量 為# ,則結(jié)合面Fd '導(dǎo)致的角度偏差為ω(ωχ，ωγ，ωζ)，ω的計(jì)算公式如下：重復(fù)η次上述運(yùn)算，得到η組結(jié)合面輪廓度公差對(duì)應(yīng)的η組角度偏差，利用數(shù)據(jù)回歸方法 得到結(jié)合面輪廓度公差Τ與角度偏差ω之間的映射關(guān)系，通過該映射關(guān)系，在給定角度偏差 為65時(shí)對(duì)應(yīng)的結(jié)合面輪廓度公差即為設(shè)計(jì)出的裝配結(jié)合面輪廓度公差。
【文檔編號(hào)】G06F17/50GK105956303SQ201610307344
【公開日】2016年9月21日
【申請(qǐng)日】2016年5月10日
【發(fā)明人】劉志剛, 洪軍, 劉鵬, 郭俊康, 趙強(qiáng)強(qiáng), 陳以磊, 荊沖, 周強(qiáng)
【申請(qǐng)人】西安交通大學(xué)