机床热误差精度转化和模型建立方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及机床热误差建模方法，特别是一种机床热误差精度转化和模型建立方 法。
【背景技术】
[0002] 近年来，随着我国制造业的迅猛发展，对高档数控机床的加工性能、综合精度水平 的要求也越来越高。研究表明，在精密及超精密数控机床的加工中，由热效应引起的机床误 差一般占到综合误差的40% -70%左右。因此，如何获得机床热误差并建立热误差模型进 而获得机床末端精度数据，是提高机床精度的关键问题之一。目前，建立热误差模型通常采 用的方法有：多元线性回归分析模型、人工神经网络模型、支持向量机模型和灰色模型等； 这些模型都能达到一定的精度，但这些模型都有一个共同点，就是以实验法为基础。然而， 实验法通常需要花费大量的时间与金钱，而且受实验条件限制，往往还难以获得全面的热 误差信息；同时也使得设计具有滞后性，不能在设计阶段就能控制机床末端的精度。
【发明内容】
[0003] 本发明为解决公知技术中存在的技术问题而提供一种机床热误差精度转化和模 型建立方法。
[0004] 本发明为解决公知技术中存在的技术问题所采取的技术方案是：
[0005] -种机床热误差精度转化和模型建立方法，包括如下步骤：
[0006] 步骤一：建立机床CAD模型并简化模型；
[0007] 步骤二：对简化后的机床CAD模型进行CAE热分析；
[0008] 步骤三：通过CAE热分析后处理模块提取各运动轴单元热变形值，并转化为单元 基本几何误差；
[0009] 步骤四：基于单元基本几何误差，建立机床工作空间热误差模型。
[0010] 进一步地，所述步骤一中，采用Creo软件，去掉机床CAD模型中对分析结果无影响 的细节特征来简化CAD模型。
[0011] 进一步地，所述步骤二中，采用ANSYS软件读取由CAD模型生成的X-T中间文件， 生成有限元模型并对其进行机床结构热分析，其中，机床中的热源和散热条件分别通过对 应的生热模型和散热模型转化为热流密度和对流换热系数值，并以热载荷的形式加载到有 限元模型上。
[0012] 进一步地，所述步骤三中，通过CAE热分析后处理模块提取各运动轴单元热变形 值的具体步骤为：
[0013] 步骤3-1 :分别以设置在机床上的每一对导轨中的每一条轨的顶面任一轴向侧边 为提取路径；
[0014] 步骤3-2 :在每一条导轨顶面的两侧边选取η个节点的变形量作为提取目标，提取 所有平动轴的X、Υ、Ζ轴向的热变形值。
[0015] 所述步骤三中，所述运动轴单元包括机床X、Y、Z轴向的三对平动轴导轨。
[0016] 所述步骤三中，所述单元基本几何误差包括相应轴的X、Y、Z轴的直线度误差、偏 摆误差、滚摆误差和颠摆误差。
[0017] 所述步骤三中，通过MATLAB软件将X、Y、Z轴的热变形值转化为单元基本几何误 差。
[0018] 所述步骤三中，将X轴的热变形值转化为单元基本几何误差的具体步骤为：
[0019] 设：
[0020] X= [X!，x2,x3,x4…xn]
[0021 ] UUY= [uuy!,uuy2,uuy3,uuy4---uuyn]
[0022] UUZ= [uuz1;uuz2,uuz3,uuz4***uuzn] (1)
[0023] DUY= [duy!，duy2,duy3,duy^··duyn]
[0024] DUZ= [duz"duz2,duz3,duz4…duzn]
[0025] 式中：
[0026] X为所取X轴导轨上点的横坐标矩阵；
[0027]UUY为X轴方向一对导轨中的一条导轨上所取点对应的Y轴方向位移值矩阵；
[0028] UUZ为X轴方向一对导轨中的一条导轨上所取点对应的Z轴方向位移值矩阵；
[0029] DUY为X轴方向一对导轨中的另一条导轨上所取点对应的Y轴方向位移值矩阵；
[0030] DUZ为X轴方向一对导轨中的另一条导轨上所取点对应的Z轴方向位移值矩阵； 则溜板位于中间位置时X轴方向平动轴导轨的位移值为
[0033] 式中，UY为溜板所处位置的X轴方向平动轴导轨的Y轴方向位移值矩阵；
[0034] UZ为溜板所处位置的X轴方向平动轴导轨的Z轴方向位移值矩阵；
[0035] 1)两点法求Y、Z轴方向直线度：
[0036] 设理想直线为：
[0037]y=k*x+b (3)
[0038] 则：
[0040] 已知点（Xl，uyi)到理想直线的距离为h为：
[0042] Y直线度为：
[0043] Ay=hnax-hnin (6)
[0044] 式中，h_为已知点（xuUyi)到理想直线距离的最大值；
[0045] 11_为已知点（XUyi)到理想直线距离的最小值；
[0046] 2)滚摆误差为：
[0048] 式中，1^为X轴方向一对导轨间Y轴方向距离；
[0049] uuZnndSX轴方向一对导轨中的一条导轨中点的Z轴方向位移值；
[0050] duZnndSX轴方向一对导轨中的另一条导轨中点的Z轴方向位移值；
[0051] 3)颠摆误差为：
[0053] 式中，WXSX轴方向一对导轨的两滑块间X轴方向距离；
[0054] uzlrft为X轴方向导轨左滑块处的Z轴方向位移值；
[0055] uz"gh#X轴方向导轨右滑块处的Z轴方向位移值；
[0056] 4)偏摆误差为：
[0058] 式中，WXSX轴方向导轨两滑块间X轴方向距离；
[0059] uuylrft为X轴方向一对导轨中的一条导轨的左滑块处的Y轴方向位移值；
[0060] duylef#X轴方向一对导轨中的另一条导轨的左滑块处的Y轴方向位移值；
[0061] uuy"gh#X轴方向一对导轨中的一条导轨的右滑块处的Y轴方向位移值；
[0062] duy"ghtSX轴方向一对导轨中的另一条导轨的右滑块处的Y轴方向位移值；
[0063] 5)X、Z轴垂直度误差为：
[0065] 式中，乙为X轴方向一对导轨间Y轴方向距离；
[0066] 匕为Z轴方向导轨的长度；
[0067]uZnildSX轴方向导轨中点处的Z轴方向位移值；
[0068] 117|^为Z轴方向导轨中点处的Y轴方向位移值。
[0069] 所述步骤四中，利用多体理论，建立机床结构导轨位置处的热变形误差和机床工 作空间内刀具-工件相对位姿误差的映射关系，从而建立机床工作空间热误差模型。
[0070] 进一步地，建立机床工作空间热误差模型的具体步骤为：
[0071] 步骤4-1 :根据机床的实际结构得出机床的拓扑结构图；
[0072] 步骤4-2:根据低序体序列描述方法和机床的约束得出机床的低序体阵列表；
[0073] 步骤4-3:根据平移运动特征矩阵和旋转运动特征矩阵的特性，得到机床各相邻 体之间的理想特征矩阵和误差特征矩阵；
[0074] 步骤4-4:根据理想成形函数和实际成形函数得出机床误差。
[0075] 本发明具有的优点和积极效果是：采用该方法设计人员在机床设计阶段就能预知 机床热变形、预测机床末端误差和末端精度等，使得设计可靠性增加；此方法以CAE软件为 基础，能够节省大量的时间与金钱，并且能够提供全面的热误差信息。
【附图说明】
[0076] 图1为本发明的方法流程框图；
[0077] 图2为卧式加工中心结构示意图；
[0078] 图3为卧式加工中心的床身D1路径变形图；
[0079] 图4为卧式加工中心的立柱D1路径Y位移变形图；
[0080] 图5为卧式加工中心的立柱D1路径Z位移变形图；
[0081] 图6为卧式加工中心的溜板D1路径变形图；
[0082] 图7为卧式加工中心拓扑结构；
[0083] 图8为X向误差曲线图；
[0084] 图9为Y向误差曲线图；
[0085] 图10为Z向误差曲线图。
[0086] 图2中：1、立柱；2、X轴导轨；3、溜板；4、Y轴导轨；5、主轴箱；6、主轴；7、工作台； 8、滑座；9、Z轴导轨；10、床身。
【具体实施方式】
[0087] 为能进一步了解本发明的
【发明内容】
、特点及功效，兹例举以下实施例，并配合附图 详细说明如下：
[0088] 请参阅图1，一种机床热误差精度转化和模型建立方法，包括如下步骤：
[0089] 步骤一：建立机床CAD模型并简化模型；
[0090] 步骤二：对简化后的机床CAD模型进行CAE热分析；
[0091] 步骤三：通过CAE热分析后处理模块提取各运动轴单元热变形值，并转化为单元 基本几何误差；
[0092] 步骤四：基于单元基本几何误差，建立机床工作空间热误差模型。
[0093] 进一步地，所述步骤一中，可采用Creo软件，去掉机床CAD模型中对分析结果无影 响的细节特征来简化CAD模型。
[0094] 进一步地，所述步骤二中，可采用ANSYS软件读取由CAD模型生成的X-T中间文 件，生成有限元模型并对其进行机床结构热分析，其中，机床中的热源和散热条件可分别通 过对应的生热模型和散热模型转化为热流密度和对流换热系数值，并以热载荷的形式加载 到有限元模型上。
[0095] 进一步地，所述步骤三中，通过CAE热分析后处理模块提取各运动轴单元热变形 值的具体步骤可为：
[00