基于模糊稳健设计的机床动态精度分析与反演方法研究

加工精度是数控机床追求的最终精度，是衡量数控机床工作性能非常重要的指标，如何经济合理地将数控机床的加工精度控制在所追求的目标范围内，是提升我国高档高精度数控机床的技术水平与性能质量的一个难题。本项目研究机床在可控因素几何误差和不可控因素动态热误差综合影响下动态精度的正向递推分析与反演优配问题；基于模糊稳健设计方法，建立机床动态精度的模糊概率分析一般模型，探讨机床动态精度对单项不确定性误差源的灵敏度分析方法及其反向影响规律，建立机床动态精度的模糊稳健优配一般模型，并最终系统形成机床动态精度的模糊稳健分析与反演的理论与方法；开发支持机床动态精度模糊稳健设计与反演的软件工具，并结合具体的产品进行实验验证。项目的研究为高档精密数控机床的精度设计与精度反演及优配、合理确定数控机床各环节的精度等级提供理论与方法支持，对我国高档精密数控机床自主研发与技术创新具有重要的理论与实际意义。

加工精度是数控机床追求的最终精度，如何经济地使数控机床加工精度控制在所追求的目标范围内，是提升我国高速高精度数控机床的技术水平、性能和质量所面临的关键性难题。本项目基于稳健设计理念，主要开展了机床在可控因素几何误差影响下精度的正向建模分析与反演优配问题。. 针对由于缺乏实验条件和先验数据而无法应用传统稳健设计的情况，基于公理设计独立公理、泰勒级数展开近似以及矩阵微分预算和数理统计理论提出了一种分析性稳健设计方法及优化方案评价机制。通过对机床的几何误差多点次检测与辨识，基于数理统计理论得到各几何误差源基本分布规律，建立了机床空间加工误差的概率分布特征分析模型，以对工件合理装卡以利用机床有效加工区域及机床电气联调提供指导与借鉴。针对如何确定零部件几何误差对加工精度的影响程度从而经济合理地分配机床零部件的几何精度这一难题，建立了多轴数控机床误差敏感度分析的数学模型，以有效识别出影响机床空间加工精度的关键性几何误差源。建立了基于制造-质量损失成本的机床零部件尺寸公差优化分配模型和基于零部件精度参数和机床空间误差关系的优化模型，提出了多轴机床几何误差反演与优配方法，为实现机床几何精度与制造成本的优化平衡探索了一种新方法。针对重型机床横梁等工作部件承受载荷大、变形大、载荷误差占比高的特点，提出了一种载荷误差的辨识及横梁预变形起拱曲线优化方法，并基于粒子群算法实现了横梁起拱曲线优化设计。初步进行了重型龙门五轴联动机床（B/C摆角）数控加工指令修正的研究，提出了平移数控加工指令及回转数控加工指令修正迭代求解算法，使加工轨迹在理想轨迹附近，以提高重型龙门五轴联动机床的加工精度。在理论研究的基础上，基于Visual C++开发了多轴机床精度稳健性分析与优配软件工具，并结合精密机床和重型机床产品进行了分析验证。. 通过项目研究，发表SCI学术论文5篇、EI论文17篇、ISTP论文1篇，申请国家发明专利5项（其中授权1项），获批软件著作权1项，培养研究生9名。项目的研究不仅为机床的创新精度设计，更为现有数控机床的改造以提高其精度提供关键的解决途径，对于提升我国高档数控机床的加工性能，提高制造科学的研究水平，具有重要的理论与实际意义。