基于数字化误差效果预测的机床设计精度控制原理与方法

精度是评定机床最主要的指标之一，目前国产机床在大量采用进口品牌数控系统、电机和功能部件的情况下，其精度水平仍然明显低于进口机床。调查和分析结果表明，造成这一现象的重要原因，是国内机床企业在机床设计、装配及调整等精度控制环节中，缺乏一套对机床设计精度进行定量预测分析的系统理论以及对应的实现技术，因而被迫过多地依靠类比、经验和反复修正等传统方法。项目组针对性地提出了"基于数字化误差效果预测的机床设计精度控制方案"，以数字化分析为手段，对机床各误差单元对其最终输出精度的影响程度和公差控制效果进行定量分析与预测，为机床的大规模公差分配、公差检验与调整、以及装配调整提供必要的定量指导，最终实现机床精度在满意成本下的高效控制。本项目将系统地研究其相关理论、实现技术和数字化模型，并开发配套的可视化计算与分析工具，切实促进国产机床数字化设计水平和产品质量的提高。

在机床精度设计与控制工作中，国内企业普遍缺乏必要的定量分析理论、技术和工具。针对这一问题，项目组进行了系统、深入的理论和实现技术研究。以下是完成的主要研究工作：.1）将机床误差预测系统拓展到整个工艺系统，提出了分步式精度分配方法。通过建模分析，首先将工件加工精度合理分配到机床，然后实施机床的二次精度分配。.2）以部件为误差单元，在误差单元特性中增加了方向特性，使误差传递和积累分析具有更好的针对性，同时也为公差控制效果分析提供了基础。.3）以机床的拓扑结构和运动特点为基础，系统研究了部件之间的位置、姿势、运动及其误差之间关系，归纳出它们数学表达中的共性，建立了一个适用于不同机床的误差建模与分析模型，为相关的分析提供了一个强有力的工具。.4）为实现公差的控制效果分析，提出了面向系统的公差数学语义并建立了对应的公差数学模型，这种模型与误差分析模型兼容，可实现误差分析与公差分析的一体化。.5）提出了误差敏感性分析、误差累积规律分析、单项公差控制效果分析以及多公差综合控制效果分析方法。.6）针对大规模公差设计的特点，提出了误差敏感性分析与公差设计的一体化方案以及具体的实施方法。.7）以主轴和导轨系统为对象，对静态误差的动态转化规律进行了探索性研究，为机床动态误差研究提供了一些线索和方法。.8）基于作用效果分析的设计方法同样适合于机械结构的抗振性设计。项目组在不影响计划研究内容的前提下，对多参数的抗振性优化进行了一些探索，取得了较好的效果。.经过3年的研究，本项目的全部研究内容已按计划完成，实现了预定的研究目标。通过本项目的研究，在专业核心期刊和国际学术会议文集上发表学术论文17篇，其中SCI收录1篇、EI收录6篇；获得国家发明专利授权3件。参与本项目研究工作的硕士研究生共计9名，其中4人已通过学位论文答辩。