机床热误差精度转化和模型建立方法技术

本发明专利技术公开了一种机床热误差精度转化和模型建立方法，包括如下步骤：步骤一：建立机床CAD模型并简化模型；步骤二：对简化后的机床CAD模型进行CAE热分析；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；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。本发明专利技术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；本发明专利技术以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。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术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。
技术介绍
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。
技术实现思路
本专利技术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。本专利技术为解决公知技术中存在的技术问题所采取的技术方案是：一种机床热误差精度转化和模型建立方法，包括如下步骤：步骤一：建立机床CAD模型并简化模型；步骤二：对简化后的机床CAD模型进行CAE热分析；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；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。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。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。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：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；步骤3-2：在每一条导轨顶面的两侧边选取n个节点的变形量作为提取目标，提取所有平动轴的X、Y、Z轴向的热变形值。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。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。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。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：设：X＝[x1,x2,x3,x4…xn]UUY＝[uuy1,uuy2,uuy3,uuy4…uuyn]UUZ＝[uuz1,uuz2,uuz3,uuz4…uuzn](1)DUY＝[duy1,duy2,duy3,duy4…duyn]DUZ＝[duz1,duz2,duz3,duz4…duzn]式中：X为所取X轴导轨上点的横坐标矩阵；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；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；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；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UY=UUY+DUY2=[uy1,uy2,uy3,uy4...uyn]=[uuy1+duy12,uuy2+duy22,uuy3+duy32,uuy4+duy42......uuyn+duyn2]---(2)]]>UZ=UUZ+DUZ2=[uzI,uz2,uz3,uz4...uzn]=[uuz1+duz12,uuz2+duz22,uuz3+duz32,uuz4+duz42......uuzn+duzn2]]]>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；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；1)两点法求Y、Z轴方向直线度：设理想直线为：y＝k*x+b(3)则：k=uyn-uy1xn-x1,b=uyn-k*xn---(4)]]>已知点(xi,uyi)到理想直线的距离为h为：h=|k*x-uy+b|1+k2=[h1,h2,h3,h4...hn]=[|k*x1-uy1+b|1+k2,|k*x2-uy2+b|1+k2,|k*x3-uy3+b|1+k2,|k*x4-uy4+b|1+k2...|k*xn-uyn+b|1+k2]---(5)]]>Y直线度为：Δy＝hmax-hmin(6)式中，hmax为已知点(xi,uyi)到理想直线距离的最大值；hmin为已知点(xi,uyi)到理想直线距离的最小值；2)滚摆误差为：Δα=|uuzmid-duzmid|Lx---(7)]]>式中，Lx为X轴方向一对导轨间Y轴方向距离；uuzmid为X轴方向一对导轨中的一条导轨中点的Z轴方向位移值；duzmid为X轴方向一对导轨中的另一条导轨中点的Z轴方向位移值；3)颠摆误差为：Δβ=|uzleft-uzright|Wx---(8)]]>式中，Wx为X轴方向一对导轨的两滑块间X轴方向距离；uzleft为X轴方向导轨左滑块处的Z轴方向位移值；uzright为X轴方向导轨右滑块处的Z轴方向位移值；4)偏摆误差为：Δγ=|uuyleft-duyleft-uuyright+duyright|Wx---(9)]]>式中，Wx为X轴方向导轨两滑块间X轴方向距离；uuyleft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；duyleft为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；uuyright为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；duyright为X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；5)X、Z轴垂直度误差为：Δγxz=arctguzmidLx-arctguymidLz---(10)]]>式中，Lx为X轴方向一对导轨间Y轴方向距离；Lz为Z轴方向导轨的长度；uzmid为X轴方向导轨中点处的Z轴方向位移值；uymid为Z轴方向导轨中点处的Y轴方向位移值。所述本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种机床热误差精度转化和模型建立方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤一：建立机床CAD模型并简化模型；步骤二：对简化后的机床CAD模型进行CAE热分析；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；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。

【技术特征摘要】
1.一种机床热误差精度转化和模型建立方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤一：建立机床CAD模型并简化模型；
步骤二：对简化后的机床CAD模型进行CAE热分析；
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；
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。
2.根据权利要求1所述的机床热误差精度转化和模型建立方法，其特征在于，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。
3.根据权利要求1所述的机床热误差精度转化和模型建立方法，其特征在于，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。
4.根据权利要求1所述的机床热误差精度转化和模型建立方法，其特征在于，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：
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；
步骤3-2：在每一条导轨顶面的两侧边选取n个节点的变形量作为提取目标，提取所
有平动轴的X、Y、Z轴向的热变形值。
5.根据权利要求1所述的机床热误差精度转化和模型建立方法，其特征在于，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。
6.根据权利要求1所述的机床热误差精度转化和模型建立方法，其特征在于，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。
7.根据权利要求1所述的机床热误差精度转化和模型建立方法，其特征在于，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。
8.根据权利要求1所述的机床热误差精度转化和模型建立方法，其特征在于，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：
设：
X＝[x1,x2,x3,x4…xn]
UUY＝[uuy1,uuy2,uuy3,uuy4…uuyn]
UUZ＝[uuz1,uuz2,uuz3,uuz4…uuzn]
(1)
DUY＝[duy1,duy2,duy3,duy4…duyn]
DUZ＝[duz1,duz2,duz3,duz4…duzn]
式中：
X为所取X轴导轨上点的横坐标矩阵；
UUY为X轴方向一对导轨中的一条导轨上所取点对应的Y方向位移值矩阵；
UUZ为X轴方向一对导轨中的一条导轨上所取点对应的Z方向位移值矩阵；
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方向位移值矩阵；
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
UY=UUY+DUY2=[uy1,uy2,uy3,uy4...uyn]=[uuy1+duy12,uuy2+duy22,uuy3+duy32,uuy4+duy42......uuyn+duyn2]UZ=UUZ+DUZ2=[uz1,uz2,uz3,uz4...uzn]=[uuz1+duz12,uuz2+duz22...

【专利技术属性】
技术研发人员：张大卫，杨金玉，高卫国，张伟展，刘腾，
申请(专利权)人：天津大学，
类型：发明
国别省市：天津;12