基于加权响应面法的立式加工中心几何精度分配研究

摘要

精密数控机床不仅是工业现代化与国防现代化的技术前提，也是高精尖技术产业的支撑工具。伴随着5G、云计算、边缘计算、人工智能等新兴技术的不断推进与演化，以精密数控机床为代表的智能制造将在万物感知，万物互联，万物智能的未来中扮演极其重要的角色。而衡量数控机床设计与加工过程中性能好坏的关键性指标就是机床的加工精度。　　本文以国家科技重大专项子课题“机床制造过程可靠性保障技术研究与应用”为依托，以三轴精密立式加工中心为研究对象，对精密立式加工中心的几何误差的建模、几何误差敏感度的辨识预估、以及几何精度的优化分配进行了研究。主要工作内容如下：　　①以三轴精密立式加工中心为研究对象，将精密立式加工中心抽象为多体系统，以低序体阵列的方法来描述机床的拓扑结构，用齐次坐标变换矩阵来表示机床各相邻典型体坐标系之间的位、姿变化，建立了机床各运动单元之间的理想与实际状态下的变换特征矩阵，构建了精密立式加工中心的综合几何误差数学模型。该模型具有抽象性好、综合性强、便于推导和计算等优点，为后文的几何误差敏感度分析奠定了基础。　　②在综合几何误差数学模型的基础上，提出了一种基于加权响应面法的机床几何误差敏感度辨识预估模型。通过Bucher设计的插值技术提取样本点，运用最小二乘法和权重矩阵成功的计算出了精密立式加工中心的各项几何误差的误差敏感度，为后文的几何精度优化分配模型的建立提供了理论依据。　　③基于稳健设计中关于产品质量与成本的分析方法，构建了机床的几何精度成本-公差模型。确定了机床各项几何误差的权重分配系数，从而建立了精密立式加工中心的几何精度优化分配模型。最后，利用Matlab的遗传算法工具箱实现了对机床几何精度的优化分配。优化结果在保持机床设计精度的前提下，实现了对机床各单项几何精度的优化分配，缓解了机床零、部件的精度设计的压力，对解决机床在设计阶段中零、部件精度等级的合理搭配问题，提供了理论依据。

目录

1 绪论

1.1 课题研究背景与意义

1.1.1 课题研究背景

1.1.2 课题研究意义

1.2 国内外研究现状

1.2.1 几何误差建模的国内外研究现状

1.2.2 几何误差敏感度分析的国内外研究现状

1.2.3 精度分配的国内外研究现状

1.3 课题来源和研究内容

1.3.1 课题来源

1.3.2 研究内容

1.4 论文研究框架

2 精密立式加工中心的综合几何误差建模

2.1 引言

2.2 精密立式加工中心的基本结构

2.3 精密立式加工中心的拓扑结构

2.4 精密立式加工中心的运动特征矩阵

2.4.1 精密立式加工中心的理想运动特征矩阵

2.4.2 精密立式加工中心的实际运动特征矩阵

2.5 精密立式加工中心的综合几何误差数学模型

2.6 本章小结

3 精密立式加工中心的几何误差敏感度分析

3.1 引言

3.2 几何误差敏感度的定义

3.3 基于加权响应面法的几何误差敏感度辨识预估模型

3.3.1 响应面法概述

3.3.2 响应面模型的选取

3.3.3 加权响应面模型的试验设计

3.3.4 加权响应面模型的建立

3.3.5 加权响应面模型的计算

3.4 本章小结

4 基于成本-公差模型的几何精度优化分配

4.1 引言

4.2 基于稳健设计的成本-公差模型

4.2.1 稳健设计概述

4.2.2 成本分析与估算方法

4.2.3 生产制造成本计算模型

4.2.4 质量损失成本计算模型

4.2.5 总成本计算模型

4.3 几何精度优化分配模型的建立

4.3.1 几何误差溯源分析

4.3.2 几何误差权重分配系数

4.3.3 几何精度优化分配模型

4.3.4 几何精度优化分配模型的约束条件

4.4 基于遗传算法的几何精度优化分配

4.4.1 遗传算法概述

4.4.2 遗传算法的基本概念

4.4.3 遗传算法的基本步骤

4.4.4 Matlab 遗传算法工具箱的使用

4.5几何精度优化分配的结果

4.6 本章小结

5 结论与展望

5.1 结论

5.2 展望

参考文献

附 录

A. 作者在攻读硕士学位期间发表的论文

B. 作者在攻读硕士学位期间参加的科研项目

C. 学位论文数据集

致 谢