微型机床的稳健性评价

外文翻译专 业 机械设计制造及其自动化 学生姓名 陈 银 升 班 级 BD机制041班 学 号 0420110119 指导教师 许 晓 琴 微型机床的稳健性评价Nozomu MishimaKousuke Ishii陈银升 译摘要：本文讨论采用稳健性设计方法进行机床设计。这种新型设计方法主要用于微型机床设计，从而大大节约了能源和空间。我们的设计方法结合机床加工运转的分析程序（成型理论）与稳健设计程序，旨在鉴定对机床加工公差产生重大影响的设计参数，从而制定出总体设计的指导方针。此外，在研究中还把田口方法运用于小型车床的成型功能。把5个机床尺寸作为控制因素，同时把机器结构中发生的局部误差视为噪音因素。研究旨在找出提高机床性能因素的重要性。结果表明进给传动单元的厚度对机床运转的影响最为明显，而在局部误差中，相同进给传动单元的直线误差影响至关重要。1 引言机床加工产品必须能够满足不同的形状和尺寸。为此，设计师在进行机床刀具设计时会采用高精密结构部件。但这并没有成为设计机床时选择某一结构或尺寸的标准。 由于机床设计技术已相当成熟，要使设计发生根本性改变是很难的。比如，用来生产手表或其他小型精密器材等产品的机床与其目标元件相比显然体积过大。目前机床业还没有明确是否有必要加工如此规模的机床。体积庞大的机床会造成能源的大量浪费。小型机床的尺寸与其目标产品的尺寸相适应，这样不会引起能源、空间和资源的极大浪费。 近年来业届相继提出了微型机床厂的构建。微型工厂 (Kawaharaetal，1997年)以原型超微机床(Kithara、1996)为基本生产单位。然而，微型化的设计并没有涉及到对所需规模和结构的深入评估。机床设计师需在全面指导下适当缩小机床的尺寸。这项研究结合机床加工运转的分析程序（成型理论）与稳健设计程序，旨在鉴定对机床加工公差产生重大影响的设计参数。用成型理论的分析程序 (Reshtov及Portmam，1988)或其他数值表述 (Slocum，1992； Mou， 1997)进行机床设计评价的研究。这种被称为“田口方法”的稳健型设计工具由此而出名（田口，1994年；Feng和kusiak，1997)。 本文用这种方法分析说明了上述微型车床加工的设计参数对加工过程的影响，并提出了设计评价程序，从而使现有微型车床设计的参数优化组合。本文按照规模与产品加工的所需尺寸，把以上成果和指导方针联系在一起进行今后小型机床体系的规模生产。专业术语： k=组成元件的数量i=组成元件数目的指数Si =元件分配的原始坐标系 iA = 同一变化矩阵ji = 在 Si和 Si+i之间的变化li = 在 Si 和Si+i之间的总的动态变化A(i)(ji)(li) =在 Si和Si+i之间的 种类ji以及 总的运转数 li的矩阵变化0 rr = 塑造成型误差t rr =刀具的成型向量 0 e rr = 塑造成型所包含的误差Aei= Si 和Si+1 D 0 r的变行误差r = 塑造成型误差ls =支撑工件的厚度ly =Z轴的进给距离ld = 轴和电动机之间的距离lz = 进给量的单位lt = 切削刀具的长度R = 工件的半径h = 工件的高度v = 轴的转动速度ai = 在Si 和Si+i之间X轴角度的变化误差bi = Y轴的角度误差gi = Z轴的角度误差dxi =在 Si 和Si+i之间范围内，与 X轴平行距离的误差dyi =与Y轴平行距离的误差dzi =与Z轴平行距离的误差Dx = 偏离目标X轴方向的误差Dy = 偏离目标Y轴方向的误差Dz =偏离目标Z轴方向的误差n = 转数fem = 目标数的平均数fei=目标数V =方差Sn =噪音信号的比率2 任何整体塑造形式的运转表示21整形功能机床结构视为通过刀具切削工件并通过直接刚性链相连组成的，如图1所示，由0至K组成。一个正交坐标系Si中定义为i (i=0 to k)。元件从Si变化到 Si+1范围内变化相同。图1 当地坐标系和相应的原理当地坐标分别代表这些坐标转换矩阵变换而来的Ai (保罗、 1981)。 在普通机床下，Ai沿着X，Y或Z轴二者之一平行轴变化，或在X，Y，Z轴周围旋转，或是两者结合。这六个坐标平面的每一个平面的变化，根据分配的号码来区分它们，如平行移动X轴的距离为1，等等。 当同一矩阵Ai转化为ji表示(i=1至6)，运转的变化(如平行距离变换，旋转运行时的一个旋转角)是由lI来表示。我们定义A(i)(ji)(li)为矩阵的表示形式。在工件和刀具之间矢量0和R表示了相对位移，在刀具所在的坐标系中，机床大小的矢量用tr来表示。在0 r r和 t r r i间的关系用eq来表示。（1）和（0）被定义为它们的下标值。2塑造形状误差在机床实际功能中有装配公差、热变形、磨损、变形的外力因素造成的，和许多其他来源的误差。为了描述实际的塑造形状，必须考虑这些误差。这种误差看似是一个单元转换，如元件的变形，否则可能出现在一个变形元件之间，导致不完美方式引导的直线误差。不过，误差可能出于方便的目的，被当作一种转型变化。在这项研究中，我们把这些要素之间的转换误差。定义为另外一种转化矩阵A。ei。通常在Si 和Si+1元素之间的转化误差。通过 插入一个元件的矩阵在A(i)(ji)(li) 和A(i+1)(ji+1)(li+1) 之间。（1）塑造形状误差包括0 e r r ，如下所示：从价值目标表示来看，塑造形状的运转机床定义了不含有误差和含有误差的塑造形状功能之间 的误差。3 微型机床的应用先前阶段的解释的一般的程序产生来源于塑造形式功能的机床。这项研究的目的，以微型机床设计为基础，我们分析了现有微型车床、稳健试图评估其设计。 通过这种方法可以辨别那些设计参数和当地的机床误差的来源，和重大影响机床加工性能与同轴心配置的微型车床。 31微型车床的塑造形状功能在本文中，图2。-显示了维修微型车床的研究。因应尽可能尽量减少机器整体尺寸，本机床主轴单元运转在切削和进给运动中固定 。图2 微小型机床的概要机床相当小，高度、长度和宽度尺寸每个都在1英寸左右。微型机床能机械加工由黄铜或塑料制成的小型工件，加工公差优于普通车床。如图片所显示的那样，我们定义了这5个机床的不同设计参数(表1)。另外，虽然没有设计参数表上所规定的高度H和工件半径R的圆柱，图3显示了图2所示的微小型机床的部件，在相应的局部坐标系中，相同的矩阵变化常用在每个局部坐标系中。表1微型车床的设计参数图3微型车床的HTM相应元件的组合如前面阶段所解释的那样，采用形状矢量工具，机床的塑性形状功能在机床的局部坐标系中被定义为线性转化矩阵。我们对同一变换矩阵进行全方位改造。 因此，微型机床的塑性形式功能从0到R 可如下表示：32 塑性功能包含的误差机床的6个元件包括工件如图3所示。换句话说，元素之间存在着五种转变。 我们定义这些转变沿着三个正交轴为三个平行转化误差和三根轴的三个旋转误差。这些转化误差引起了机床热变形、磨损、运动误差、公差在机械零件和其他原因。为从总体加工误差中区别这些误差，我们统称他们为局部误差。我们把在I 和 i+1间的X，Y，Z轴的旋转误差分别称为ai， bi， gi， 平行变化误差分别为 dxi，dyi，dzi。下面的表2列出了所定义好的局部误差。微型车床的塑造形状功能所包含的误差。33塑造形状误差功能为了简化，我们实行下列假设来界定先前阶段的局部误差。(1)本研究不包括工件和主轴装配的误差，a0， b0， g0， dx0， dy0， dz0。(2)主轴可能的旋转对称误差，我们设置为dy1=dx1 and b1=a1(3)没有实际意义的自身轴线的主轴转动误差被g1所忽略(4)在X和Z方向上操作的相同的进给量的单位，所以我们设置b3=b2， g3=a2， a3=g2， dx3=dz2， dz3=dx2， dy3=dy2(5)在机床测试后装配工具，我们认为只有旋转误差a4， b4， g4， 没有考虑到平行变化误差dx4， dy4， dz4。利用这些假设，这些单独的局部误差的次数减少到12个。另外，为了保证微型车床的平衡。给出了向量(6)微型车床的塑性功能的分析研究如图所示(7)每个元素构成的X，Y和Z方向。向量误差4 机床方法的应用先前阶段，所有已知变化的塑性形状误差可以被计算； 但只有当整个加工公差指明，问题的反面无法解决。因此，这个平衡计算表明了加工误差预计的程度，由于局部出现误差，但人们不能轻易在设计时使用预先估计来提高加工误差或装配误差。在另一方面，为了获得稳定加工，在各种加工条件下，一种方法是是针对未知的局部误差来获得所需的强度设计，另一方法是广泛应用领域的实验设计、工程质量、以及提供了环境的稳定设计。这项研究采用立体效果评价该种方法未知的局部误差对设计机床参数误差的影响。模拟操作方法，运用塑性形状误差功能。41 操作因素和噪音因素该种方法允许我们计算控制因素组合优化评价功能，由于在噪音因素考虑范围内波动。在这项研究中，首要的目的是确定设计参数对加工性能的影响，局部机床存在多种误差。 因此，它采取适当的设计参数来控制误差因素和噪声因素。 这里工件的R，H固定尺寸和价值观作为制约的条件。反之，设置局部误差来控制因素，可以找出那些需要特别维修，以提高微型机床的加工精度。42目标功能因此，这项研究侧重于误差量(距离)，在那些工件点中，研究对象从轴中心距和工件高度的支持表面考虑。 我们定义Dx， Dy， Dz为每根轴方向上总的误差，相应移动机床和工件的目标位置。然后，。我们采取这些误差的绝对长度，(Dx2+Dy2+Dz2)1/2， 来评价功能。43关系因素 前面设置的设计参数的变化范围和局部误差，必须引进局部误差和设计参数之间的固定关系。在一个微型机床中，若以设计参数并设计参数和局部误差并无多大关系，局部误差总是不间断，然后不断加工精密机床的独立面。在另一方面，如果局部误差与设计参数成正比，然后还要接近。加工精度的几何尺寸。不过，加工微型车床的精度称为是绝对的优势，但相对而言不如到普通车床2。 这种趋势是由于机床种类的固定限制和机械精度的降低影响了机床。因此，一些地方的精密部件减小尺寸时会失去其精度。 比如，当尺寸缩小到微型车床、 所需刀具时，由于刀具长度越来越短。另外，小口径轴承采取不利的是，由于相比普通精密轴承。 还有机械因素受益面积减少。比如微型化显然意味着减少轴的发热量导致轴承温度。为了获得微型化设计，考虑到局部误差和设计参数之间的关系我们如下假设。(1)主轴与主轴偏心dx1和主轴角误差a1成反比。 (由于设计限制，预计将抵消主轴必须与主轴直径成正比，而先前的缺点为较小的主轴直径) (2)主轴的膨涨dz1是由于热效应，它与ld成正比。 (3)进给量的旋转误差， a2， b2 an和 g2，直线误差与进给量成反比。 (4)进给量的误差dz2相当于数额的控制过头，但是靠进给及其控制算法。 它被认为是不受设计参数的影响，因此，假设为常数。 (5)较小的工具，其难度倾向更大。因此，我们假设机床角度的误差a4， b4， g4与机床的长度相一致。5 结果51设计参数的优化基于正交优化设计参数阵列法规定，参数值分别代入前面阶段中，用计算机模拟的实施来代替实验。一组单独的计算涉及到五种设计参数，有16种组合，每种组合有27个局部误差。通过这种方法，对加工误差的影响和S/N比率的局部设计参数的不同范围如表4所示。 换句话说， 这些设计参数的确定必须强调提高机床的稳定性当在有局部误差存在时。公式8是加工平均数的计算。而且，这个问题是一个最优化、S/N比例在公式。(9)中所反应。S/N比率是广泛使用的稳定性的指标。这里n是仿真试验数字(n=16)，有限目标函数平均值，速度的变化，和S/N的比率。上述计算的处理、均值和目标分散函数的分析。在分析”平均数”的目标函数中，来自于上面的公式8。以上是沿纵轴设计的，设计参数的类型和数值是沿水平轴方向。 分析纵轴的”变化”来自于公式9。这些结果出现在图4和图5中。“分析平均值”的结果显示设计参数对加工的影响，而”变化分析”表明稳定程度。在这些数据中，如果某一个环节的设计参数比较陡峭，该参数很大影响了加工公差或S/N的比率。图4 操作机床的设计参数的影响：分析平均数图5 操作机床的设计参数的影响：分析差距 52局部误差的估算影响当运用局部误差来控制因素的这个方法，它可以确定的是，必须严格控制并缩小机床制造误差。这种方法的目的是优化控制因素等方面的因素，可以假定随机噪音值在某一范围内；因此，设计参数不适合用作隔音因素。由于后者的价值，因此，我们假设用固定的电动微型车床。来分析目前使用的微型车床的价值。通过分析三个参数-工件高度h，半径R， 和主轴转速v来分析不同形状的工件和操作条件下的机器。因此，这个问题就等于有误差查明局部误差重大影响了加工公差，和特殊工件形状和主轴转速。这里，L16号5个参数，四级矩阵正交排列也适用噪音因素，如两参数中的虚拟参数。范围是0。5，1。0，1。5和2。0倍正常数值见表6。 表6 噪音因素的范围局部误差的变化范围，在先前计算阶段，采取-1。0、0、1。0倍一般化数值。如表5。由于噪音管制的相关因素及它假定为主轴成正比扩张的Z方向dz1，与静止的旋转速度成正比。这是假定主轴扩张适合与增加地表温度、根据实际测量地表温度的上升。正如先前阶段，用于分析平均数与差距；结果在图6和图7中所示。 53讨论计算结果发现，在微型车床设计参数中，工件支撑件的较小厚度ls、轴心高度ly，切削刀具长度lt，愈快愈好。但是，这些工具的参数长度相对较小。另外，轴与电机的一个最佳值距离为ld。进给量较大的为lz，5个设计参数，后者功效。价值最大。在另一方面，在局部加工误差中表现，显示所有局部误差产生消极影响加工性能。尤其主轴误差dz1，进给量的横向误差dx2，进给量的 静止误差dz2。具有重大影响了加工公差。局部误差范围大大影响这些有效性。然而，这些假设是基于经验迄今机器零件。其结果本身似乎言之有理，不仅是为了建立一个设计评估方法， 而且就在这一研究结果。尤其 厚度等各单位的设计参数和进给量的误差在局部有很大的误差影响。这种趋势是由于采用蠕动式压电器件单位进给量的减少机器整体规模。颇有研究的特点控制饲料单位(崎等，1998)，这是事实，这些单位具有重大影响的特色私服微车床业绩包括调整难度和动作准确性。 在另一方面，据计算，这项研究得出如下：主轴扩张对dz1影响不大。迄今为止的研究，包括大型超精密车床(三岛等，1995)，排水量一直重大影响了机床主轴的发热量一。这种差异表明了在微型车床中，热变形不再占优势。这意味着微型机床的设计者不需要考虑那么多的在机床中的烦恼的热变形误差 。6 结论本文结合成型作用和田口理论展示了机床设计的评定方法。在现有微型车床中，尺寸与进给加工的运动特征对加工公差产生很大影响。热误差不再是关键因素。这种方法使增量设计得以改进，但仍达不到生产设计的根本性创新。为了更有效地使用这种方法，需要把它运用于概念设计阶段，并且比较不同设计概念的稳定性 (Ford 和Barkan、 1995)。我们今后的工作将着重于运用概念设计方法来设计微型机床。鸣谢单位这项工作的基本观点是通过对斯坦福大学的模具制造实验室和和日本筑波的机械工程实验室的研究构思而成。对提供研究支持的日本科技厅表达感谢。第二作者经费由国家科学基金会提供。参考文献Folkes, W.Y. and Creveling,C.M.(1995). Engineering Methods for Robust Product Design, Addison Wesley.Feng,C.and Kuisak, A.(1997) Robust Tolerance Design With the Integer Programming Approach,Journal of Manufacturing Science and Engineering,Vol.119, pp.603-610.Ford,R.B.and Barkan,P.(1995). Beyond Parameter Design - A Methodology Addressing Product Robustness at the Concept Formation Stage_ Proceedings of ASME National Design Engineering Conference.Kawahara,N. Suto,T. Hirano,T. Ishikawa,Y, Ooyama,N. and Ataka, T. (1997) Microfactories; New Applications of micro machine technology to the manufacture of small products,Microsystem Technologies,pp37-41.Kitahara,T. Ishikawa,Y. Terada,K. Nakajima,N. and Furuta,K. (1996).Development of Micro-lathe,Journal of Mechanical Engineering Lab. Vol.50,No. 5,p. 117-123.Mishima,N.et al. (1995).Control Method for Thermal Displacement of an Aerostatic Spindle, Proceedings of 2nd Int.Conference on Precision