CN117032072A - 一种五轴超精密机床几何误差分配方法 - Google Patents
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Abstract
一种五轴超精密机床几何误差分配方法，涉及一种机床误差分配方法。设计五轴超精密机床；建立几何误差模型；设置几何误差的取值范围并全局敏感性分析；参考分析结果设置精度边界条件和成本边界条件；将边界条件作为约束使用群优化算法对几何误差进行分配；建立误差综合模型，设计机床五个轴系的运动轨迹，将几何误差分配结果作为驱动，计算工件端和刀具端三个方向的距离；使用误差综合模型计算在没有误差时工件端和刀具端三个方向的距离；计算空间几何误差值调整边界条件直至满足设计指标。综合考虑了误差分配过程中的精度边界条件和成本边界条件，保证机床加工精度的同时，有助于确保机床制造成本不超标。
Description
技术领域
本发明涉及一种机床误差分配方法，尤其是一种五轴超精密机床几何误差分配方法，属于超精密制造装备技术领域。
背景技术
五轴超精密机床是当今世界上制造难度最大的高端设备之一，按照国际标准，五轴超精密机床共包含37项几何误差(除旋转轴安装误差外)，为保证五轴超精密机床的加工精度，需要对全部37项几何误差值进行约束。而37项几何误差值具体需要调整到什么范围，目前完全依赖于设计经验，这样做不仅耗时耗力且最终的机床精度也无法严格保证。
如何快速准确地确定五轴超精密机床37项几何误差值的调整范围，并确保机床最终的加工精度，是提高我国五轴超精密机床设计制造水平和加工精度的关键，因此亟需一种快速且准确的五轴超精密机床几何误差分配方法。
此外，五轴超精密机床在设计制造过程中，除了要控制机床误差外，还需要考虑机床的制造成本和制造时间。例如，直线轴导轨直线度是五轴超精密机床中的单项几何误差，通过多次精密研磨和测量可以逐渐减小直线度误差，但是在超精密机床中直线轴直线度误差通常<0.2μm，即使直线度误差值减小一个量级，对机床最终加工精度的提升也可以忽略不计，然而这样却会大幅增加机床的制造成本和制造时间。所以，在进行误差分配时，除了要保证机床精度外，还应增加必要的成本边界条件以避免机床制造成本超支。
发明内容
为解决背景技术存在的不足，本发明提供一种五轴超精密机床几何误差分配方法，它综合考虑了误差分配过程中的精度边界条件和成本边界条件，保证机床加工精度的同时，有助于确保机床制造成本不超标。
为实现上述目的，本发明采取下述技术方案：一种五轴超精密机床几何误差分配方法，包括以下步骤：
S1、进行五轴超精密机床的主体结构设计；
S2、根据S1中设计的五轴超精密机床的结构和尺寸参数，建立五轴超精密机床的几何误差模型；
S3、设置五轴超精密机床37项几何误差的取值范围，并使用全局敏感性分析方法对37项几何误差进行分析，得到全局敏感性分析结果；
S4、参考S3得到的全局敏感性分析结果设置五轴超精密机床几何误差分配的精度边界条件和成本边界条件；
S5、将S4中设置的精度边界条件和成本边界条件作为约束，使用群优化算法对37项几何误差进行分配；
S6、根据S1中设计的五轴超精密机床的结构和尺寸参数，建立五轴超精密机床的误差综合模型，设计机床五个轴系的运动轨迹，将S5中的几何误差分配结果作为驱动，计算五轴超精密机床的工件端和刀具端在X、Y、Z三个方向的距离；
S7、将S5中进行分配的37项几何误差值全部设为0，使用误差综合模型计算在没有误差时五轴超精密机床的工件端和刀具端在X、Y、Z三个方向的距离；
S8、计算S6和S7中五轴超精密机床的工件端和刀具端在X、Y、Z三个方向的距离差值平方和的开方值，即可得到五轴超精密机床的空间几何误差值，如果空间几何误差值小于设计指标，则认为S5的几何误差分配结果满足要求，如果空间几何误差值大于设计指标，则缩小S4中设置的精度边界条件和成本边界条件的取值范围，并重复步骤S5-S8，直到空间几何误差值小于设计指标。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
(1)本发明综合考虑了五轴超精密机床在误差分配过程中的精度边界条件和成本边界条件，在保证机床加工精度的同时，还能确保机床制造成本不超标；
(2)本发明可同时对五轴超精密机床37项几何误差进行分配，确保可以快速对机床进行误差分配；
(3)本发明中群优化算法具备37×50以上规模群体的计算能力，可对37项几何误差进行大范围取值，确保最终的计算结果为最优解；
(4)本发明中误差综合模型可进行nm量级的计算，保证了在误差综合时计算结果的准确性。
附图说明
图1是本发明的流程图；
图2是实施例中设计的五轴超精密机床的结构示意图；
图3是实施例中得到的全局敏感性分析结果；
图4是实施例中采用的遗传算法的流程图；
图5是实施例中建立的误差综合模型；
图6是实施例中设计的机床三个直线轴系的运动轨迹；
图7是实施例中最终得到的空间几何误差值。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是发明的一部分实施例，而不是全部的实施例，基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
参照图1所示，一种五轴超精密机床几何误差分配方法，包括以下步骤：
S1、进行五轴超精密机床的主体结构设计；
S2、根据S1中设计的五轴超精密机床的结构和尺寸参数，建立五轴超精密机床的几何误差模型；
S3、设置五轴超精密机床37项几何误差的取值范围，并使用全局敏感性分析方法对37项几何误差进行分析，得到全局敏感性分析结果；
S4、参考S3得到的全局敏感性分析结果设置五轴超精密机床几何误差分配的精度边界条件和成本边界条件；
S5、将S4中设置的精度边界条件和成本边界条件作为约束，使用群优化算法对37项几何误差进行分配，其中群优化算法宜具备37×50以上规模群体的计算能力；
S6、根据S1中设计的五轴超精密机床的结构和尺寸参数，建立五轴超精密机床的误差综合模型，其中误差综合模型宜具备nm量级的计算能力，设计机床五个轴系的运动轨迹，将S5中的几何误差分配结果作为驱动，计算五轴超精密机床的工件端和刀具端在X、Y、Z三个方向的距离；
S7、将S5中进行分配的37项几何误差值全部设为0，使用误差综合模型计算在没有误差时五轴超精密机床的工件端和刀具端在X、Y、Z三个方向的距离；
S8、计算S6和S7中五轴超精密机床的工件端和刀具端在X、Y、Z三个方向的距离差值平方和的开方值，即可得到五轴超精密机床的空间几何误差值，如果空间几何误差值小于设计指标，则认为S5的几何误差分配结果满足要求，如果空间几何误差值大于设计指标，则缩小S4中设置的精度边界条件和成本边界条件的取值范围，并重复步骤S5-S8，直到空间几何误差值小于设计指标。
实施例
S1、设计的五轴超精密机床的主体结构结合图2所示，并确定机床最终加工精度指标为±5μm；
S2、根据S1中设计的五轴超精密机床的结构和尺寸参数，使用多体动力学方法建立五轴超精密机床的几何误差模型；
S3、设置五轴超精密机床37项几何误差的取值范围如表1所示：
表1几何误差取值范围
并使用Sobol全局敏感性分析方法对37项几何误差进行分析，得到的全局敏感性分析结果结合图3所示；
S4、参考S3得到的全局敏感性分析结果设置五轴超精密机床几何误差分配的精度边界条件如表2所示：
表2精度边界条件
为保证机床制造成本不超支，设置成本边界条件，令成本函数总和Ctotal小于300，即
S5、结合图4所示的遗传算法流程编制计算程序，将S4中设置的精度边界条件和成本边界条件作为约束，对37项几何误差进行分配。在误差分配过程中，需要对误差分配结果的适应度进行计算，本实施例重点关注五轴超精密机床在满足精度的要求下，如何实现机床成本最小，所以对机床成本C的适应度进行计算。机床的成本边界条件设为300，当个体的空间几何误差值E满足精度边界条件时，按照下式对机床成本C的适应度F进行计算：
可以看出机床成本C越小，则个体的适应度F越大，最终选择适应度最大的误差分配结果作为最优解，具体分配结果如表3所示：
表3几何误差分配结果
S6、根据S1中设计的五轴超精密机床的结构和尺寸参数，建立五轴超精密机床的误差综合模型结合图5所示，设计机床三个直线轴系的运动轨迹结合图6所示，B轴和C轴按照0.2rad/s的速度匀速转动，同时将S5中的几何误差分配结果作为驱动，计算五轴超精密机床的工件端和刀具端在X、Y、Z三个方向的距离；
S7、将S5中进行分配的37项几何误差值全部设为0，使用误差综合模型计算在没有误差时五轴超精密机床的工件端和刀具端在X、Y、Z三个方向的距离；
S8、计算S6和S7中五轴超精密机床的工件端和刀具端在X、Y、Z三个方向的距离差值平方和的开方值，公式如下：
其中，xerr、yerr、zerr分别表示将几何误差分配结果作为驱动时计算得到的机床工件端和刀具端在X、Y、Z三个方向的距离，x0、y0、z0分别表示在没有误差时计算得到的机床工件端和刀具端在X、Y、Z三个方向的距离。
得到的五轴超精密机床的空间几何误差值结合图7所示，可以看出空间几何误差值E<2μm，满足设计指标，认为S5的几何误差分配结果满足要求。
对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的装体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同条件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。
此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。
Claims (3)
1.一种五轴超精密机床几何误差分配方法，其特征在于：包括以下步骤：
S1、进行五轴超精密机床的主体结构设计；
S2、根据S1中设计的五轴超精密机床的结构和尺寸参数，建立五轴超精密机床的几何误差模型；
S3、设置五轴超精密机床37项几何误差的取值范围，并使用全局敏感性分析方法对37项几何误差进行分析，得到全局敏感性分析结果；
S4、参考S3得到的全局敏感性分析结果设置五轴超精密机床几何误差分配的精度边界条件和成本边界条件；
S5、将S4中设置的精度边界条件和成本边界条件作为约束，使用群优化算法对37项几何误差进行分配；
S6、根据S1中设计的五轴超精密机床的结构和尺寸参数，建立五轴超精密机床的误差综合模型，设计机床五个轴系的运动轨迹，将S5中的几何误差分配结果作为驱动，计算五轴超精密机床的工件端和刀具端在X、Y、Z三个方向的距离；
S7、将S5中进行分配的37项几何误差值全部设为0，使用误差综合模型计算在没有误差时五轴超精密机床的工件端和刀具端在X、Y、Z三个方向的距离；
S8、计算S6和S7中五轴超精密机床的工件端和刀具端在X、Y、Z三个方向的距离差值平方和的开方值，即可得到五轴超精密机床的空间几何误差值，如果空间几何误差值小于设计指标，则认为S5的几何误差分配结果满足要求，如果空间几何误差值大于设计指标，则缩小S4中设置的精度边界条件和成本边界条件的取值范围，并重复步骤S5-S8，直到空间几何误差值小于设计指标。
2.根据权利要求1所述的一种五轴超精密机床几何误差分配方法，其特征在于：所述S5中群优化算法具备37×50以上规模群体的计算能力。
3.根据权利要求1所述的一种五轴超精密机床几何误差分配方法，其特征在于：所述S6中误差综合模型具备nm量级的计算能力。
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