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基于二阶矩误差模型的五轴机床精度分配优化设计

信世豪 张立强 李宇昊

信世豪, 张立强, 李宇昊. 基于二阶矩误差模型的五轴机床精度分配优化设计[J]. 上海工程技术大学学报, 2022, 36(3): 272-277. doi: 10.12299/jsues.21-0274
引用本文: 信世豪, 张立强, 李宇昊. 基于二阶矩误差模型的五轴机床精度分配优化设计[J]. 上海工程技术大学学报, 2022, 36(3): 272-277. doi: 10.12299/jsues.21-0274
XIN Shihao, ZHANG Liqiang, LI Yuhao. Precision allocation optimization design of five axis machine tool based on second-order moment error model[J]. Journal of Shanghai University of Engineering Science, 2022, 36(3): 272-277. doi: 10.12299/jsues.21-0274
Citation: XIN Shihao, ZHANG Liqiang, LI Yuhao. Precision allocation optimization design of five axis machine tool based on second-order moment error model[J]. Journal of Shanghai University of Engineering Science, 2022, 36(3): 272-277. doi: 10.12299/jsues.21-0274

基于二阶矩误差模型的五轴机床精度分配优化设计

doi: 10.12299/jsues.21-0274
详细信息
    作者简介:

    信世豪(1997−),男,在读硕士,研究方向为智能制造装备. E-mail: 1191872399@qq.com

    通讯作者:

    张立强(1979−),男,教授,博士,研究方向为智能制造装备. E-mail: zhanglq@sues.edu.cn

  • 中图分类号: TH161.21

Precision allocation optimization design of five axis machine tool based on second-order moment error model

  • 摘要:

    在机床精度优化设计过程中,传统精度分配中往往将误差视为常量,而忽略误差的分布情况. 针对此问题,在分析传统精度分配方法基础上,提出一种基于二阶矩误差模型的五轴数控机床精度优化设计方法. 定义二阶矩阵运算规则,用二阶矩阵表达机床精度指标,建立带分布的五轴数控机床误差模型,应用遗传算法对精度指标进行多目标优化求解,得到Pareto最优解集. 以C100P五轴数控机床为例,验证本优化设计方法的可行性. 与传统精度分配方法相比,在保证机床精度要求前提下,新方法能够降低机床装配成本.

  • 图  1  C100P五轴机床结构

    Figure  1.  Structure of C100P five axis machine tool

    图  2  机床拓扑构型

    Figure  2.  Machine tool topology

    图  3  二阶矩乘法运算验证

    Figure  3.  Verification of second-order moment multiplication

    图  4  $ y\left( i \right) $频率直方分布及正态分布拟合曲线

    Figure  4.  Fitting curve of frequency square distribution and normal distribution for$ y\left( i \right) $

    图  5  优化前后Pareto前沿对比

    Figure  5.  Comparison of Pareto front before and after optimization

    表  1  二阶矩运算规则

    Table  1.   Second-order moment operation rules

    运算类型二阶矩运算表达式
    常数项与误差项加法${c } + \Delta x = \left( {a,{b^2} } \right) + \left( {c,0} \right)$
    常数项与误差项乘法${c } {\text{•} } \Delta x = \left( {a,{b^2} } \right) {\text{•} } \left( {c,0} \right)$
    误差项与误差项加法$ \Delta {x_1} + \Delta {x_2} = \left( {{a_{\text{1}}},{b_{\text{1}}}^2} \right) + \left( {{a_{\text{2}}},{b_{\text{2}}}^2} \right) $
    误差项与误差项乘法$\Delta {x_{\text{1} } } {\text{•} } \Delta {x_{\text{2} } } = \left( { {a_{\text{1} } },{b_{\text{1} } }^2} \right) {\text{•} } \left( { {a_{\text{2} } },{b_{\text{2} } }^2} \right)$
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    表  2  误差二阶矩乘法运算部分结果

    Table  2.   Partial results of error second-order moment multiplication

    i1234567
    $ \phi ({x_{\text{1}}}\left( i \right)){\text{/mm}} $−0.02060.05090.00490.0588−0.0062−0.0202−0.0083
    $ \phi ({x_{\text{2}}}\left( i \right)){\text{/mm}} $0.09020.09760.09650.10490.10990.09860.1117
    $ \phi (y\left( i \right)){\text{/mm}} $−0.00190.00500.00050.0062−0.0007−0.0020−0.0009
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    表  3  C100P五轴数控机床精度指标

    Table  3.   Accuracy index of C100P five axis machine tool

    序号变量表达式变量含义误差类型
    1$ \Delta {\ell _X} = [{u_{\Delta {\ell _X}}},{o_{\Delta {\ell _X}}}] $X直线轴轴线运动直线度沿垂直X轴平动
    2$ \Delta {\ell _Y} = [{u_{\Delta {\ell _Y}}},{o_{\Delta {\ell _Y}}}] $Y直线轴轴线运动直线度沿垂直Y轴平动
    3$ \Delta {\ell _Z} = [{u_{\Delta {\ell _Z}}},{o_{\Delta {\ell _Z}}}] $Z直线轴轴线运动直线度沿垂直Z轴平动
    4$ \Delta {\theta _{YZ}} = [{u_{\Delta {\theta _{YZ}}}},{o_{\Delta {\theta _{YZ}}}}] $YZ直线轴垂直度误差X轴转动
    5$ \Delta {\theta _{XZ}} = [{u_{\Delta {\theta _{XZ}}}},{o_{\Delta {\theta _{XZ}}}}] $XZ直线轴垂直度误差Y轴转动
    6$ \Delta {\theta _{XY}} = [{u_{\Delta {\theta _{XY}}}},{o_{\Delta {\theta _{XY}}}}] $XY直线轴垂直度误差Z轴转动
    7$ \Delta {\theta _{AL}} = [{u_{\Delta {\theta _{AL}}}},{o_{\Delta {\theta _{AL}}}}] $A轴与直线轴垂直度误差YZ轴转动
    8$ \Delta {\theta _{BL}} = [{u_{\Delta {\theta _{BL}}}},{o_{\Delta {\theta _{BL}}}}] $B轴与直线轴垂直度误差XZ轴转动
    9$ \Delta {\ell _{MZ}} = [{u_{\Delta {\ell _{MZ}}}},{o_{\Delta {\ell _{MZ}}}}] $主轴轴线与Z轴平行度沿XY轴平动
    10$ {T_{\text{p}}} = [{u_{{T_{\text{p}}}}},{o_{{T_{\text{p}}}}}] $台面平面度沿Z轴平动
    11$ \Delta {\theta _{PX}} = [{u_{\Delta {\theta _{PX}}}},{o_{\Delta {\theta _{PX}}}}] $台面与X轴运动平行度YZ轴转动
    12$ \Delta {\theta _{PY}} = [{u_{\Delta {\theta _{PY}}}},{o_{\Delta {\theta _{PY}}}}] $台面与Y轴运动平行度XZ轴转动
    13$ {\varepsilon _X} = [{u_{{\varepsilon _X}}},{o_{{\varepsilon _X}}}] $X直线轴定位精度沿X轴平动
    14$ {\varepsilon _Y} = [{u_{{\varepsilon _Y}}},{o_{{\varepsilon _Y}}}] $Y直线轴定位精度沿Y轴平动
    15$ {\varepsilon _Z} = [{u_{{\varepsilon _Z}}},{o_{{\varepsilon _Z}}}] $Z直线轴定位精度沿Z轴平动
    16$ \Delta {\theta _A} = [{u_{\Delta {\theta _A}}},{o_{\Delta {\theta _A}}}] $A旋转轴定位精度X轴转动
    17$ \Delta {\theta _B} = [{u_{\Delta {\theta _B}}},{o_{\Delta {\theta _B}}}] $B旋转轴定位精度Y轴转动
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    表  4  各精度指标约束区间

    Table  4.   Constraint interval of each accuracy index

    序号变量名下极限偏差上极限偏差
    1$ \Delta {\ell _X} $0.020 mm0.030 mm
    2$ \Delta {\ell _Y} $0.020 mm0.030 mm
    3$ \Delta {\ell _Z} $0.014 mm0.015 mm
    4$ \Delta {\theta _{YZ}} $0.005/600 mm0.025/600 mm
    5$ \Delta {\theta _{XZ}} $0.005/600 mm0.025/600 mm
    6$ \Delta {\theta _{XY}} $0.005/600 mm0.025/600 mm
    7$ \Delta {\theta _{AL}} $0.006 mm0.010 mm
    8$ \Delta {\theta _{BL}} $0.006 mm0.010 mm
    9$ \Delta {\ell _{MZ}} $0.004 mm0.020 mm
    10$ {T_{\text{p}}} $0.020 mm0.020 mm
    11$ \Delta {\theta _{PX}} $0.025 mm0.050 mm
    12$ \Delta {\theta _{PY}} $0.020 mm0.030 mm
    13$ {\varepsilon _X} $0.0064/1000 mm0.015/1000 mm
    14$ {\varepsilon _Y} $0.0118/1000 mm0.015/1000 mm
    15$ {\varepsilon _Z} $0.0073/1000 mm0.010/1000 mm
    16$ \Delta {\theta _A} $7"10"
    17$ \Delta {\theta _B} $4.6"10"
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    表  5  精度分配结果

    Table  5.   Precision allocation results mm

    变量名优化前优化后变量名优化前优化后
    $ \Delta {\ell _X} $0.0210.022$ \Delta {\theta _{PX}} $0.0250.031
    $ \Delta {\ell _Y} $0.0220.024$ \Delta {\theta _{PY}} $0.0200.020
    $ \Delta {\ell _Z} $0.0140.015$ {\varepsilon _X} $0.010/10000.015/1000
    $ \Delta {\theta _{YZ}} $0.020/6000.003/600$ {\varepsilon _Y} $0.010/10000.013/1000
    $ \Delta {\theta _{XZ}} $0.020/6000.004/600$ {\varepsilon _Z} $0.010/10000.009/1000
    $ \Delta {\theta _{XY}} $0.030/6000.023/600$ \Delta {\theta _A} $10"7.8"
    $ \Delta {\theta _{AL}} $0.0060.007$ \Delta {\theta _B} $10"7.9"
    $ \Delta {\theta _{BL}} $0.0060.007${p_{{t}}}$0.0550.055
    $ \Delta {\ell _{MZ}} $0.0100.008$ C $161.97元146.71元
    $ {T_{\text{p}}} $0.0200.020
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  • 收稿日期:  2021-12-01
  • 刊出日期:  2022-06-30

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