一种仿真分析机床空间误差对工件加工精度影响的方法

摘要

本发明属于机械加工领域，特别涉及一种仿真分析机床空间误差对工件加工精度影响的方法。通过构建虚拟加工环境，并在虚拟加工环境中输入机床各运动轴的误差曲线，在仿真加工过程中实时计算刀尖点理论坐标，并根据机床各个运动轴的综合误差计算其修正坐标，统计分析各修正坐标与理论坐标的偏差极值，根据偏差极值对机床工件精度进行预判。本发明通过仿真分析即可判断机床空间误差能否满足工件加工精度要求，无需试切加工，有效缩短了产品的生产周期，减少了工件报废，节约了资源，降低了生产成本。

说明书

技术领域

本发明属于机械加工领域，特别涉及一种仿真分析机床空间误差对工件加工精度影响的方法。

背景技术

机床在制造和装配过程中，由于零件制造误差和装配误差的存在，机床各个运动轴都会存在一些空间误差，如X、Y、Z轴的直线度，XY、YZ、XZ的垂直度等。这些误差互相叠加，使刀具在运动过程中的实际位置与理论位置存在偏差，最终降低工件的加工精度，如果空间误差较大还会导致工件报废。因此工件加工前需要预判机床是否能够满足工件加工精度的要求，但是由于机床空间误差的非线性以及机床运动的复杂性，尤其是多轴加工，仅通过理论分析或经验分析无法准确判断机床空间误差对最终工件加工精度的影响。目前的解决方案是对产品进行试切加工，然后检测产品精度是否满足要求，如果不满足精度要求对机床精度进行调整，然后再次试切，直到满足精度要求为止，这种方式一方面机床精度调整比较困难，对技术人员要求较高；另一方面对一些精度要求较高的工件，往往需要多次试切加工才能满足精度要求，不仅延长了产品的生产周期，而且造成了资源的浪费，生产成本较高。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种仿真分析机床空间误差对工件加工精度影响的方法，可根据床空间误差实时计算刀尖点偏差，并定量分析加工过程中刀具的位置偏差，预先判断出机床空间误差能否满足工件加工精度要求。

为了解决上述技术问题，本发明是通过以下技术方案实现的：一种仿真分析机床空间误差对工件加工精度影响的方法，通过在虚拟加工环境中输入机床各运动轴的误差曲线，在仿真加工过程中根据机床空间误差分析刀具位置偏差，根据偏差极值对机床工件精度进行预判，具体包括以下步骤：

A．在软件中映射虚拟机床模型，构建虚拟加工环境，并确定工件装夹位置P；

B．输入各运动轴的误差曲线，包括直线度、垂直度；

C．虚拟数控系统解析NC程序，驱动机床模型运动并实时计算刀尖点理论坐标，同时根据输入的各运动轴误差曲线计算出当前各个运动轴的误差值，包括直线度误差、垂直度误差等，综合考虑各个误差计算出运动轴的综合误差，迭加各个运动轴的综合误差，修正当前刀尖点理论坐标得到修正坐标；

D．统计整个仿真加工过程中的修正坐标与理论坐标的偏差极值E；

E．判断偏差极值E是否超出工件精度，若是，则判定为不能满足工件加工精度要求；若否，则判定为可以满足工件加工精度要求。

进一步地，上述一种仿真分析机床空间误差对工件加工精度影响的方法，对于步骤E中机床空间误差不能满足工件加工精度要求的情况，可采用调整工件装夹位置的方法进行优化，具体方法如下：

F1．调整虚拟加工环境中工件的装夹位置至位置P

F2．虚拟数控系统重新驱动机床模型运动并实时计算刀尖点理论坐标，同时迭加各个运动轴的综合误差，修正当前刀尖点理论坐标得到修正坐标；

F3．统计仿真加工过程中的修正坐标与理论坐标的偏差极值，得到在位置P

F4．判断偏差极值E

F5．判断i是否等于N，若是，则判定为该空间误差下不能满足工件加工精度要求；若否，则返回步骤F1，将工件调整至下一位置。

进一步地，上述一种仿真分析机床空间误差对工件加工精度影响的方法，对于步骤E中机床空间误差可以满足工件加工精度要求的情况，可以按照虚拟加工环境中的工件位置设定进行实际加工，也可以在虚拟加工环境中变换工件装夹位置，通过比较工件在不同装夹位置时的偏差极值，选出工件最优装夹位置进行实际加工，具体方法如下：

G1．调整虚拟加工环境中工件的装夹位置至位置P

G2．虚拟数控系统重新驱动机床模型运动并实时计算刀尖点理论坐标，同时迭加各个运动轴的综合误差，修正当前刀尖点理论坐标得到修正坐标；

G3．统计仿真加工过程中的修正坐标与理论坐标的偏差极值，得到在位置P

G4．判断j是否等于N，若是，则执行步骤G5；若否，则返回步骤G1，将工件调整至下一位置；

G5．在所有的偏差极值E

进一步地，上述一种仿真分析机床空间误差对工件加工精度影响的方法，对于步骤F4中工件装夹位置处于位置P

F6-1．判断i是否等于N，若是，则将位置P

F6-2．调整虚拟加工环境中工件的装夹位置至位置P

F6-3．虚拟数控系统重新驱动机床模型运动并实时计算刀尖点理论坐标，同时迭加各个运动轴的综合误差，修正当前刀尖点理论坐标得到修正坐标；

F6-4．统计仿真加工过程中的修正坐标与理论坐标的偏差极值，得到在位置P

F6-5．判断k是否等于N，若是，则执行步骤F6-6，若否，则返回步骤F6-2，将工件调整至下一位置；

F6-6．在所有的偏差极值E

进一步地，上述一种仿真分析机床空间误差对工件加工精度影响的方法，对于步骤F5中判定的该空间误差下不能满足工件加工精度要求的情况，可通过调整机床的空间误差进行修正，调整方案通过在虚拟环境中调整机床模型的空间误差曲线进行仿真分析来确定，具体方法如下：

F7-1．在虚拟环境中调整机床第m个运动轴的空间误差曲线，其中m=1，2，……M，M为机床运动轴总数；所述空间误差曲线包括曲线形状和曲线误差值；

F7-2．虚拟数控系统重新驱动机床模型运动并实时计算刀尖点理论坐标，同时迭加各个运动轴的综合误差，修正当前刀尖点理论坐标得到修正坐标；

F7-3．统计整个仿真加工过程中的修正坐标与理论坐标的偏差极值，得到在该空间误差下偏差极值；

F7-4．返回步骤F7-1，继续对当前第m个运动轴的空间误差曲线进行调整，直到达到预先设定的调整次数上限；

F7-5．建立第m个运动轴空间误差变化与工件偏差极值的关系曲线；

F7-6．返回步骤F7-1，继续对下一个运动轴的空间误差曲线进行调整，直到所有运动轴都建立其空间误差变化与工件偏差极值的关系曲线；

F7-7．对各运动轴空间误差变化与工件偏差极值的关系曲线进行分析，找出对工件偏差极值影响最大的因素，作为机床精度调整的优先调整对象。

进一步地，上述一种仿真分析机床空间误差对工件加工精度影响的方法，对于步骤E中机床空间误差不能满足工件加工精度要求的情况，可通过调整机床的空间误差进行修正，调整方案通过在虚拟环境中调整机床模型的空间误差曲线进行仿真分析来确定，具体方法如下：

H1．在虚拟环境中调整机床第m个运动轴的空间误差曲线，其中m=1，2，……M，M为机床运动轴总数；所述空间误差曲线包括曲线形状和曲线误差值；

H2．虚拟数控系统重新驱动机床模型运动并实时计算刀尖点理论坐标，同时迭加各个运动轴的综合误差，修正当前刀尖点理论坐标得到修正坐标；

H3．统计整个仿真加工过程中的修正坐标与理论坐标的偏差极值，得到在该空间误差下偏差极值；

H4．返回步骤H1，继续对当前第m个运动轴的空间误差曲线进行调整，直到达到预先设定的调整次数上限；

H5．建立第m个运动轴空间误差变化与工件偏差极值的关系曲线；

H6．返回步骤F7-1，继续对下一个运动轴的空间误差曲线进行调整，直到所有运动轴都建立其空间误差变化与工件偏差极值的关系曲线；

H7．对各运动轴空间误差变化与工件偏差极值的关系曲线进行分析，找出对工件偏差极值影响最大的因素，作为机床精度调整的优先调整对象。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

1．通过构建虚拟加工环境，并在虚拟加工环境中输入机床空间误差曲线，使工件在仿真加工过程中可以实时计算刀具位置偏差，根据偏差极值即可对工件的加工精度进行预判，无需进行试切加工，有效缩短了产品的生产周期，减少了工件报废，节约了资源，降低了生产成本；

2．通过调整虚拟加工环境中工件的装夹位置，在软件中多次迭代，优化工件加工精度，从而在不改变机床精度的情况下，实现工件加工精度的优化；

3．通过在虚拟环境中调整各轴的误差曲线，分析不同误差条件下工件的加工精度，在软件中多次试错，能够给出合理的机床调整方案，降低机床调整难度，提高了生产效率。

附图说明

图1是本发明方法的流程示意图。

图2是本发明采用调整工件装夹位置的方法对不能满足工件加工精度要求情况进行优化的方法流程示意图。

图3是本发明对调整工件位置可以满足精度要求情况进行进一步优化选择的方法流程示意图。

图4是本发明通过调整各轴误差曲线进行优化分析的方法流程示意图。

图5是本发明通过调整工件装夹位置进行精度优化选择的方法流程示意图。

具体实施方式

下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步详细描述。

如图1所示，本发明的一种仿真分析机床空间误差对工件加工精度影响的方法，包括：

步骤100，在软件中映射虚拟机床模型，构建虚拟加工环境，并确定工件装夹位置P；

步骤200，输入各运动轴的误差曲线，包括直线度、垂直度；

步骤300，虚拟数控系统解析NC程序，驱动机床模型运动并实时计算刀尖点理论坐标（x

以三轴机床为例，计算各运动轴的综合空间误差如下：

其中，Ex

则计算修正坐标（x

x

y

z

步骤400，统计整个仿真加工过程中的修正坐标与理论坐标的偏差极值E；

步骤500，判断偏差极值E是否超出工件精度，若是，则执行步骤600，若否，则执行步骤700；

步骤600，判定为机床空间误差不能满足工件加工精度要求，可执行步骤800，或者执行步骤900；

步骤700，判定为机床空间误差可以满足工件加工精度要求，可执行步骤1000，或者执行步骤1100；

步骤800，采用调整工件装夹位置的方法进行优化；

步骤900，在虚拟环境中调整机床模型的空间误差曲线进行仿真优化分析，确定机床的最佳调整方案，指导机床空间误差的实际调整；

步骤1000，在虚拟加工环境中变换工件装夹位置，通过比较工件在不同装夹位置时的偏差极值，选出工件最优装夹位置进行实际加工；

步骤1100，按照虚拟环境中的参数设定进行实际加工。

图2显示了步骤800的具体方法，包括：

步骤801，调整虚拟加工环境中工件的装夹位置至位置P

步骤802，虚拟数控系统重新驱动机床模型运动并实时计算刀尖点理论坐标，同时迭加各个运动轴的综合误差，修正当前刀尖点理论坐标得到修正坐标；

步骤803，统计仿真加工过程中的修正坐标与理论坐标的偏差极值，得到在位置P

步骤804，判断偏差极值E

步骤805，判定为工件装夹位置处于位置P

步骤806，判断i是否等于N，若是，则执行步骤807；若否，则返回步骤801，将工件调整至下一位置；

步骤807，判定为机床在该空间误差下不能满足工件加工精度要求。

对于上述步骤805判定为工件装夹位置处于位置P

步骤8051，判断i是否等于N，若是，则将位置P

步骤8052，调整虚拟加工环境中工件的装夹位置至位置P

步骤8053，虚拟数控系统重新驱动机床模型运动并实时计算刀尖点理论坐标，同时迭加各个运动轴的综合误差，修正当前刀尖点理论坐标得到修正坐标；

步骤8054，统计仿真加工过程中的修正坐标与理论坐标的偏差极值，得到在位置P

步骤8055，判断k是否等于N，若是，则执行步骤8056，若否，则返回步骤8052，将工件调整至下一位置；

步骤8056，在所有的偏差极值E

对于步骤807判定的机床在该空间误差下不能满足工件加工精度要求的情况，可执行步骤900，通过调整机床的空间误差进行修正，调整方案通过在虚拟环境中调整机床模型的空间误差曲线进行仿真分析来确定，如图4所示，具体方法如下：

步骤901，在虚拟环境中调整机床第m个运动轴的空间误差曲线，其中m=1，2，……M，M为机床运动轴总数；所述空间误差曲线包括曲线形状和曲线误差值；

步骤902，虚拟数控系统重新驱动机床模型运动并实时计算刀尖点理论坐标，同时迭加各个运动轴的综合误差，修正当前刀尖点理论坐标得到修正坐标；

步骤903，统计整个仿真加工过程中的修正坐标与理论坐标的偏差极值，得到在该空间误差下偏差极值；

步骤904，判断当前运动轴的空间误差调整次数是否达到预先设定的调整次数上限，若是，则执行步骤8075；若否，则返回步骤8071继续对当前第m个运动轴的空间误差曲线进行调整；

步骤905，建立当前第m个运动轴的空间误差变化与工件偏差极值的关系曲线；

步骤906，判断所有运动轴是否都建立了其空间误差变化与工件偏差极值的关系曲线，即m是否等于M，若是，则执行步骤8077；若否，则返回步骤8071，继续对下一个运动轴的空间误差曲线进行调整；

步骤907，对各运动轴空间误差变化与工件偏差极值的关系曲线进行分析，找出对工件偏差极值影响最大的因素，作为机床精度调整的优先调整对象。

图5显示了步骤1000的具体方法，包括：

步骤1001，调整虚拟加工环境中工件的装夹位置至位置P

步骤1002，虚拟数控系统重新驱动机床模型运动并实时计算刀尖点理论坐标，同时迭加各个运动轴的综合误差，修正当前刀尖点理论坐标得到修正坐标；

步骤1003，统计仿真加工过程中的修正坐标与理论坐标的偏差极值，得到在位置P

步骤1004，判断j是否等于N，若是，则执行步骤1005；若否，则返回步骤1001，将工件调整至下一位置；

步骤1005，在所有的偏差极值E

本发明将机床空间误差曲线映射于虚拟加工环境中，通过计算仿真加工过程中的刀具位置偏差，实现了对工件加工精度的预判，避免了试切加工造成的资源浪费，也缩短了产品的生产周期，降低了生产成本。对于不能满足工件精度要求的情况，也可以通过仿真加工进行调整分析、试错，有利于获得最优加工精度，降低实际调整难度，提高生产效率。

尽管上文对本发明进行了详细说明，但是本发明不限于此，本领域技术人员可以根据本发明的原理进行各种修改。因此，凡按照本发明原理所作的修改，都应当理解为落入本发明的保护范围。