数控机床制造精度分配优化方法的研究

摘要

精度设计是机床设计中的重要一环,包含精度分析和精度分配两个互逆问题,其中精度分配是指在满足给定整体精度的基础上优化设计机床组成零部件的精度,有良好的实际应用意义。而精度分配在理论和实践方面还都不成熟,本文正是以此为契机,对精度分配进行了较为系统研究。 首先,基于多体系统运动学理论,以三坐标数控机床ZK7640为研究对象,描述了其拓扑结构,低序体阵列,21项几何误差,并推导出相邻体变换矩阵,最后建立了ZK7640的误差模型。该模型与机床结构一一对应,是机床精度分配研究的基础。基于多体系统运动学理论进行精度分配优化设计,避免了在误差成本模型中的线性误差和角性误差的量纲不一致,避免了伪优化结果。 然后,在误差模型的基础之上,单独考虑每一个误差参数对加工精度的影响,计算了各个几何误差参数对机床加工精度的影响程度,并作为后续成本误差模型的成本权数。 其次,基于遗传算法建立了精度分配的优化设计模型,使用MATLAB及其遗传算法工具箱GADS进行了精度分配,得到优化的各个设计对象,并验证了优化的参数能满足机床整体精度要求。 最后,为保证精度分配理论的完整性,本文尝试使用多学科优化设计方法建立了动态精度分配的研究思路和理论框架。并尝试了载荷误差控制子系统的部分研究,使用有限元分析软件ANSYS对机床立柱进行了动态特性分析。 通过进行此次精度分配的研究,细化了导轨和丝杠的三级和四级精度,为人们更好的选择制造导轨和丝杠提供了很好的理论依据。

目录

文摘

英文文摘

声明

第1章绪论

1.1课题的提出和意义

1.1.1机床精度与精度分配

1.1.2精度分配的数学描述

1.2 国内外的研究现状及分析

1.2.1精度分配的研究现状

1.2.2机床误差建模的研究现状

1.2.3公差成本模型的研究现状

1.3研究方案的提出

1.4本文主要研究内容

第2章基于多体系统理论的机床误差建模

2.1 多体系统的基本描述方法

2.1.1 多体系统拓扑结构的描述

2.1.2多体系统的低序体阵列

2.1.3多体系统中典型体的几何描述

2.2理想情况下的典型体及相邻低序体

2.3有误差情况下的典型体及相邻低序体

2.4 ZK7640三坐标数控机床误差建模

2.4.1 ZK7640的总体结构

2.4.2.ZK7640的低序体阵列和拓扑结构

2.4.3 ZK7640的多体系统模型及其坐标系设置

2.4.4.ZK7640的相邻体变换矩阵

2.4.5 ZK7640的精度模型

2.5本章小结

第3章精度分配方法研究

3.1机床误差参数分析

3.1.1 误差溯源

3.1.2误差对加工精度的影响程度分析

3.2优化设计模型

3.2.1 目标函数

3.2.2设计变量

3.2.3约束条件

3.3本章小结

第4章基于MATLAB和遗传算法的机床精度分配

4.1 MATLAB简介

4.2遗传算法

4.2.1遗传算法概述

4.2.2遗传算法的特点

4.2.3遗传算法的基本原理与方法

4.3 MATIAB及其遗传算法工具箱

4.3.1工具箱GADS的特点

4.3.2通过GUI使用工具箱GADS

4.4 ZK7640的精度分配

4.5本章小结

第5章 基于多学科优化设计方法的机床动态精度分配初探

5.1机床的动态精度

5.1.1机床的载荷误差

5.1.2机床的热误差

5.2机床动态精度分配研究现状

5.2.1用于动态精度分配的机床建模

5.2.2机床动态特性研究

5.3多学科优化设计

5.3.1 多学科优化设计定义和性质

5.3.2多学科优化设计的研究内容

5.3.3多学科优化设计的研究现状

5.4载荷误差控制子系统分析实例

5.4.1动态特性分析理论

5.4.2有限元模型建立

5.4.3模态分析

5.4.4谐响应分析

5.5本章小结

结论

参考文献

攻读硕士学位期间发表的学术论文

致谢