数控机床加工精度建模及其优化

作     者：许腾 

作者单位：兰州理工大学 

学位级别：硕士

导师姓名：王智明

授予年度：2023年

学科分类：08[工学] 080202[工学-机械电子工程] 0802[工学-机械工程] 

主      题：误差建模 可靠性 指数积理论 精度优化 

摘      要：随着经济的发展,机械行业对整个制造业的影响越来越大,大规模机械化是未来制造业的趋势。为了提高机床加工精度的可靠性,解决机床结构复杂功能函数高度非线性的问题,提出了一种通用的精度设计方法。采用基于指数积理论构建机床的误差模型,基于神经网络的一次二阶矩法构建机床的加工精度可靠性模型与可靠性灵敏度分析模型,最后根据灵敏度分析结果调整机床各部件几何误差参数,最终提高了机床加工精度可靠性。本文内容主要有以下几个方面:(1)介绍了可靠性的基本理论,总结了可靠性模型的基本建立过程,重点描述了结构可靠性功能函数的基本概念,并举例分析了功能函数的基本形式。还介绍了可靠性的常用分析方法,并从生产应用的角度具体分析了不同方法的适用情况。(2)提出了基于指数积理论的误差建模方法,相较于多体系统的建模方法以及微分运动关系建模法,该方法建模过程清晰,计算量小。在旋量理论的基础上建立理想的机床模型,再建立基本几何误差项以及垂直度误差的指数矩阵,按照机床拓扑结构将指数矩阵相乘,最终得出机床的综合误差模型,为机床加工精度可靠度中求解极限状态函数提供依据。此外,补充了复杂机床旋转轴的误差建模过程,使模型更加完善。(3)分析了机床的加工精度可靠度。首先叙述了神经网络的基本理论,该方法通过权矩阵的学习与修正来模拟真实的功能函数。由于本文所用到的结构功能函数复杂,通过简化变形,最终确立了新的响应函数。将改进的一次二阶矩法应用到神经网络算法中,使用仿真软件Matlab计算了机床的加工精度可靠度。(4)针对机床的误差项提出误差补偿的基础理论,以及误差灵敏度分析法和成本误差模型两种精度优化方法。以三轴磨床为例,先对其误差建模,再分析可靠性,以灵敏度分析法对加工精度可靠度未达设计要求的磨床进行优化调整,最终提高了可靠性并满足设计目标。通过结果验证,该方法有效可行,在实际生产中有一定的工程理论价值。