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

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.

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.