A geometric accuracy design method of multi-axis NC machine tool for improving machining accuracy reliability

• Autorzy: Cai L. , Zhang Z. , Cheng Q. , Liu Z. , Gu P.

Warianty tytułu

PL

Metoda projektowania i poprawy niezawodności dokładności obróbczej wieloosiowej obrabiarki NC wykorzystująca pojęcie dokładności geometrycznej

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

The reliability of machining accuracy is of great significance to performance evaluation and optimization design of the machine tools. Different geometric errors have various influences on the machining accuracy of the machine tools. The main emphasis of this paper is to propose a generalized method to distribute geometric accuracy of component for improving machining accuracy reliability under certain design requirements. By applying MBS theory, a comprehensive volumetric model explaining how individual errors in the components of a machine affect its volumetric accuracy (the coupling relationship) was established. In order to reflect the ability to reach the required machining accuracy, the concept of machining accuracy reliability is proposed in this paper. Based on advanced first order and second moment (AFOSM) theory, reliability and sensitivity with single failure modes were obtained and the model of machining accuracy reliability and the model of machining accuracy sensitivity with multiple failure modes were developed. By taking machining accuracy reliability as a measure of the ability of machine tool and taking machining accuracy sensitivity as a reference of optimizing the basic parameters of machine tools to design a machine tool, an accuracy distribution method of machine tools for improving machining accuracy reliability with multiple failure modes was developed and a case study example for a five-axis NC machine tool was used to demonstrate the effectiveness of this method. It is identified that each improvement of the geometric errors leads to a decrease in the maximum values and mean values of possibility of failure, and the gaps among reliability sensitivity of geometric parameter errors improved also decreased. This study suggests that it is possible to obtain the relationships between geometric errors and specify the accuracy grades of main feeding components of mechanical assemblies for improving machining accuracy reliability.

PL

Niezawodność w zakresie dokładności obróbki ma wielkie znaczenie dla oceny funkcjonowania oraz projektowania optymalizacyjnego obrabiarek. Różne błędy geometryczne mają różny wpływ na dokładność obrabiarek. Głównym celem niniejszej pracy jest zaproponowanie uogólnionej metody rozkładu dokładności geometrycznej elementów składowych obrabiarki, pozwalającej na poprawę niezawodności w zakresie dokładności obróbczej przy spełnieniu pewnych wymagań projektowych. Dzięki zastosowaniu teorii układów wielomasowych MBS, opracowano kompleksowy model wolumetryczny, który wyjaśnia, w jaki sposób pojedyncze błędy występujące w elementach składowych obrabiarki wpływają na jej dokładność wolumetryczną (relacja sprzężeń). Zaproponowane w prezentowanym artykule pojęcie niezawodności dokładności obróbki odnosi się do możliwości uzyskania przez urządzenie wymaganej dokładności obróbki W oparciu o zaawansowaną teorię estymacji momentów AFOSM (Advanced First Order and Second Moment therory), obliczono niezawodność i czułość dla przypadku wystąpienia pojedynczej przyczyny uszkodzenia oraz opracowano model niezawodności dokładności obróbki oraz model czułości dokładności obróbki dla przypadku wystąpienia wielu przyczyn uszkodzeń. Przyjmując niezawodność dokładności obróbki za miarę poprawnego działania obrabiarki oraz przyjmując czułość dokładności obróbki za punkt odniesienia dla optymalizacji projektowej podstawowych parametrów obrabiarek, opracowano metodę, opartą na rozkładzie dokładności obrabiarki, mającą na celu poprawę niezawodności dokładności obróbki dla przypadku wystąpienia wielu przyczyn uszkodzeń. Skuteczność metody wykazano na przykładzie pięcio-osiowej obrabiarki NC. Stwierdzono, że każda korekta błędu geometrycznego prowadzi do spadku maksymalnych i średnich wartości możliwości wystąpienia uszkodzenia oraz zmniejsza rozstęp między poszczególnymi czułościami niezawodnościowymi skorygowanych błędów parametrów geometrycznych. Przedstawione badania wskazują, że możliwe jest ustalenie związku pomiędzy błędami geometrycznymi oraz określenie stopni dokładności głównych elementów składowych zespołów mechanicznych odpowiedzialnych za ruch posuwowy obrabiarki w celu poprawy niezawodności dokładności obróbki.

Słowa kluczowe

EN

machine tool; geometric error; accuracy distribution; machining accuracy reliability; multi-body system theory

PL

obrabiarka; błąd geometryczny; rozkład dokładności; niezawodność dokładności obróbki; teoria układów wielomasowych

• Wydawca: Polskie Naukowo-Techniczne Towarzystwo Eksploatacyjne
• Czasopismo: Eksploatacja i Niezawodność
• Rocznik: 2015
• Tom: Vol. 17, no. 1
• Strony: 143--155
• Opis fizyczny: Bibliogr. 44 poz., rys., tab.

Twórcy

autor

Cai L.

• College of Mechanical Engineering and Applied Electronics Technology Beijing University of Technology, Beijing 100124, China

autor

Zhang Z.

• College of Mechanical Engineering and Applied Electronics Technology Beijing University of Technology, Beijing 100124, China

autor

Cheng Q.

• College of Mechanical Engineering and Applied Electronics Technology Beijing University of Technology, Beijing 100124, China

autor

Liu Z.

• College of Mechanical Engineering and Applied Electronics Technology Beijing University of Technology, Beijing 100124, China

autor

Gu P.

• Department of Mechatronics Engineering Shantou University, Shantou, Guangdong, China 515063

Bibliografia

• 1. Bohez EL, Ariyajunya B, Sinlapeecheewa C, et al. Systematic geometric rigid body error identification of 5-axis milling machines . International Journal of Comp. Aided Des. 2007; V 39(4): 229-244.
• 2. Chen GD, Liang YC, Sun YZ. Volumetric error modeling and sensitivity analysis for designing a five-axis ultra-precision machine tool. International Journal of Advanced Manufacturing Technology 2013; (68):2525-2534.
• 3. Chen JS. Computer-aided accuracy enhancement for multi-axis CNC machine tool. International Journal of Machine Tools and Manufacture 1995; 35(4):593–605.
• 4. Chen JX, Lin SW, He BW, et al. Geometric error compensation for multi-axis CNC machines based on differential transformation. International Journal of Advanced Manufacturing Technology 2014; (71):635-642.
• 5. Cheng Q, Wu C, Gu PH. An Analysis Methodology for Stochastic Characteristic of Volumetric Error in Multi-axis CNC Machine Tool. Journal of Mathematical Problems in Engineering 2013; (2013):1-12.
• 6. Chu QB, Ma L, Chang LM. Deterministic design, reliability design and robust design. Machinery Industry Standardization and Quality 2012; 8(471):16-20.
• 7. Deng C, Xie SQ, Wu J, et al. Position error compensation of semi-closed loop servo system using support vector regression and fuzzy PID control. International Journal of Advanced Manufacturing Technology 2014; (71):887-898.
• 8. Diplaris SC, Sfantsikopoulos MM. Cost–Tolerance Function. A New Approach for Cost Optimum Machining Accuracy. International Journal of Advanced Manufacturing Technology 2000; (16):32-38.
• 9. Dorndorf U, Kiridena VSB, Ferreira PM. Optimal budgeting of quasistatic machine tool errors. Journal of Engineering for Industry 1994; 116(1): 42-53.
• 10. Dufour P, Groppetti R. Computer Aided Accuracy Improvement in Large NC Machine-Tools. In Proceedings of the 2006 International Conference on the MTDR 1981; 22: 611-618.
• 11. Fu GQ, Fu JZ, Xu YT. Product of exponential model for geometric error integration of multi-axis machine tools. International Journal of Advanced Manufacturing Technology 2014; (71):1653-1667.
• 12. González I, Sánchez I Statistical tolerance synthesis with correlated variables. International Journal of Mech Mach Theory 2009; 44(6):1097- 1107.
• 13. Hocken R, Simpson JA, Borchardt B, et al. Three Dimensional Metrology. Journal of Ann. CIRP 1977; 26(2): 403-408.
• 14. Huang MF, Zhong YR. Optimized sequential design of two-dimensional tolerances. International Journal of Advanced Manufacturing Technology 2007; (33):579-593.
• 15. Huang X, Ding W, Hong R. Research on accuracy design for remanufactured machine tools. In Proceedings of the 2006 International Conference on Technology and Innovation 2006; 1403-1410.
• 16. Huang YM, Shi CS. Optimal tolerance allocation for a sliding vane compressor. Journal of Mechanical Design 2006; 128(1):98-107.
• 17. Huang YQ, Zhang J, Li X. Thermal error modeling by integrating GA and BP algorithms for the high-speed spindle. International Journal of Advanced Manufacturing Technology 2014; (71):1669-1675.
• 18. Karadeniz H, Toğan V, Vrouwenvelder T. An integrated reliability-based design optimization of offshore towers. Reliability Engineering and System Safety 2009; 94(10): 1510-1516.
• 19. Khan AW, Chen WY. A methodology for systematic geometric error compensation in five-axis machine tools. International Journal of Advanced Manufacturing Technology 2011; (53):615-628.
• 20. Khodaygan S, Movahhedy MR. Fuzzy-small degrees of freedom representation of linear and angular variations in mechanical assemblies for tolerance analysis and allocation. Mechanism and Machine Theory 2011; (46):558-573.
• 21. Kiridena VSB, Ferreira PM. Kinematic modeling of quasistatic errors of three-axis machining centers. International Journal of Machine Tools and Manufacture 1994; 34(1): 85-100.
• 22. Lee K, Yang SH. Measurement and verification of position-independent geometric errors of a five-axis machine tool using a double ball-bar. International Journal of Machine Tools and Manufacture 2013; (70):45-52.
• 23. Liu HL, Li B, Wang XZ, et al. Characteristics of and measurement methods for geometric errors in CNC machine tools. International Journal of Advanced Manufacturing Technology 2011; (54):195-201.
• 24. Liu Y, Li Y. Dimension chain calculation precision in control of hull construction. Chinese Journal of Shipbuilding of China 2004; 45(2): 81-87.
• 25. Love WJ, Scarr. AJ. The determination of the volumetric accuracy of multi-axis machines. In Proceedings of the 2006 International Conference on the 14th MTDR 1973: 307-315.
• 26. Lu ZY, Song SF, Li HS, et al. Structural reliability and reliability sensitivity analysis organization. China: Sciences Press 2009.
• 27. Mínguez R, Castillo E. Reliability-based optimization in engineering using decomposition techniques and forms. Structural Safety 2009; 31(3): 214-223.
• 28. Muthu P, Dhanalakshmi V, Sankaranarayanasamy K. Optimal tolerance design of assembly for minimum quality loss and manufacturing cost using metaheuristic algorithms. International Journal of Advanced Manufacturing Technology 2009; (44):1154-1164.
• 29. Prabhaharan G, Asokan P, Rajendran S. Sensitivity-based conceptual design and tolerance allocation using the continuous ants colony algorithm (CACO). International Journal of Advanced Manufacturing Technology 2005; (25):516-526.
• 30. Portman VT. A Universal Method for Calculating the Accuracy of Mechanical Devices. Journal of Soviet Engineering Research 1982; V1 (7): 11-15.
• 31. Siva KM, Stalin B. Optimum tolerance synthesis for complex assembly with alternative process selection using Lagrange multiplier method. International Journal of Advanced Manufacturing Technology 2009; (44):405-411.
• 32. Sivakumar K, Balamurugan C, Ramabalan S. Concurrent multi-objective tolerance allocation of mechanical assemblies considering alternative manufacturing process selection. International Journal of Advanced Manufacturing Technology 2011; (53):711-732.
• 33. Srivastava A, Veldhuis S, Elbestawi MA. Modeling geometric and thermal errors in a five-axis CNC machine tool. International Journal of Machine Tools and Manufacture 1995; V35(9): 1321-1337.
• 34. Wang C, Fei Y, Hu P, et al. Accuracy distribution and determination of the flexible three-coordinate measuring machine. The Third International Symposium on Precision Mechanical Measurements, International Society for Optics and Photonics 2006; 62800U-7.
• 35. Wang E. An investigation in cyclic optimum method of accuracy allocation for instruments. Chinese Journal of Scientific instrument 1985; 6(2):140-146.
• 36. Wang SX, Yun JT, Zhang ZF. Modeling and compensation technique for the geometric errors of five-axis CNC Machine Tools. Chinese Journal of Mechanical Engineering 2003; 16(2):197-201.
• 37. Yang H, Fei Y, Chen X. Uncertainty Analysis and Accuracy Design of Nano-CMM. Journal of Chongqing University 2006; 29 (8):82-86.
• 38. Yang J. Research on structure reliability calculation method and sensitivity analysis. China: Dalian University of Technology, 2012.
• 39. Ye B, Salustri FA. Simultaneous tolerance synthesis for manufacturing and quality. Res Eng Des. 2003; 14(2):98-106.
• 40. Yu ZM, Liu ZJ, Ai YD, Xiong M. Geometric error model and precision distribution based on reliability theory for large CNC gantry guideway grinder. Chinese Journal of Mechanical Engineering 2013; 49(17):142-151.
• 41. Zhang GJ, Cheng Q, Shao XY, et al. Accuracy analysis for planar linkage with multiple clearances at turning pairs. Chinese Journal of Mechanical Engineering 2008; 21(2): 36-41.
• 42. Zhang X, Chang W, Tan Y. Accuracy Allocation of anti-tank missile weapon system. Journal of Projectiles Rockets Missiles and Guidance 2003; 23(2):17-19.
• 43. Zhu PH, Chen LH. A novel method of dynamic characteristics analysis of machine tool based on unit structure. Science China Technological Sciences 2014; 57 (5): 1052-1062.
• 44. Zhu SW, Ding GF, Qin SF, et al. Integrated geometric error modeling, identification and compensation of CNC machine tools, International Journal of Machine Tools and Manufacture 2012; (52): 24-29.