数控滚齿机几何误差与热误差实时补偿技术研究

论文摘要

本文以YK3610型滚齿机作为研究对象,对数控滚齿机几何误差(定位误差)与热误差的建模、检测及实时补偿技术进行深入研究,主要研究内容包括:1)研究了滚刀相对工件的位置偏差和方向偏差对滚齿加工精度的影响。通过对YK3610型滚齿机进行运动误差分析,将齐次坐标变换与机器人运动学的基本原理相结合,根据滚齿机运动的实际情况,综合考虑各误差元素影响,完成了YK3610滚齿机综合误差建模。2)对定位误差与热误差检测进行深入研究。根据所述检测方法对YK3610型滚齿机的热误差及定位误差进行精确、有效的测量,给出误差测量结果,分析定位误差与热误差的变化规律,为误差元素建模及误差补偿实验打下基础。3)研究了滚齿机热变形对齿轮加工精度的影响。推导出普通立式滚齿机与YK3610型滚齿机热变形引起的滚刀与工件之间的位置偏差公式。应用有限元分析软件(ANSYS)对YK3610型滚齿机的工件主轴进行热分析,得到工件主轴的温度场模型,确定了工件主轴的关键受热部位。对工件主轴进行结构分析,得到工件主轴的热变形。4)利用聚类算法的基本原理对温度变量进行优化选择,将温度变量从原先的10个减少到4个。应用优选的温度变量,充分利用BP神经网络及蚁群算法的优点,应用蚁群算法对神经网络进行权值训练,得到一种新的仿生预测模型,完成了YK3610型滚齿机的热误差建模工作。将定位误差分离为两部分,分别与位置相关和与温度相关,完成定位误差建模。5)对基于SIEMENS 840D数控系统的误差补偿原理进行介绍,以单片机为核心,设计实时误差补偿器,包括其硬件系统、软件系统。应用YK3610型滚齿机,进行实时误差补偿实验。结果显示,补偿后Z轴方向定位误差由补偿前21.6μm减小到9μm ,热误差由补偿前13.8μm减小到8.5μm ,补偿效果明显。相同加工条件下,分补偿前、后对加工齿轮进行误差检验。结果显示,补偿后所加工齿轮的几个主要误差项(齿距偏差、齿距累积误差、齿形误差、齿向误差、齿厚偏差)均有不同程度降低。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 课题背景
• 1.2 数控滚齿机误差补偿的意义
• 1.3 数控滚齿机误差补偿的基本内容
• 1.3.1 误差及误差源分析
• 1.3.2 综合误差模型的建立
• 1.3.3 误差检测
• 1.3.4 测点选择和优化布置技术
• 1.3.5 误差元素建模技术
• 1.3.6 误差补偿控制系统
• 1.4 国外滚齿机误差建模、测量及补偿技术的研究现状
• 1.5 国内滚齿机误差建模、测量及补偿技术的研究现状
• 1.6 本文的主要工作
• 第二章 数控滚齿机综合误差模型
• 2.1 引言
• 2.2 YK3610 滚齿机结构及其主要运动
• 2.3 YK3610 滚齿机运动误差分析
• 2.3.1 移动副运动误差分析
• 2.3.2 转动副运动误差分析
• 2.3.3 垂直度误差分析
• 2.4 YK3610 型滚齿机综合误差模型
• 2.4.1 齐次坐标变换
• 2.4.2 坐标系设定
• 2.4.3 建模过程理论分析
• 2.4.4 建模过程求解
• 2.4.5 建模结果
• 2.5 位置偏差及方向偏差对滚齿加工精度的影响
• 2.5.1 滚刀相对工件沿X 方向位置偏差对加工精度的影响
• 2.5.2 滚刀相对工件沿Z 方向位置偏差对加工精度的影响
• 2.5.3 滚刀相对工件沿Y 方向位置偏差对加工精度的影响
• 2.5.4 滚刀相对工件绕X 轴方向误差对加工精度的影响
• 2.5.5 滚刀相对工件绕Y 轴方向误差对加工精度的影响
• 2.5.6 滚刀相对工件绕Z 轴方向误差对加工精度的影响
• 2.6 本章小结
• 第三章 数控滚齿机的误差检测
• 3.1 引言
• 3.2 YK3610 型滚齿机误差检测分析
• 3.2.1 几何误差检测分析
• 3.2.2 热误差检测原因
• 3.3 YK3610 型滚齿机定位误差测量
• 3.4 YK3610 型滚齿机热误差测量
• 3.4.1 热误差测量
• 3.4.2 温度测量
• 3.5 本章小结
• 第四章 滚齿机热变形对滚刀与工件之间位置偏差的影响
• 4.1 引言
• 4.2 YK3610 型滚齿机的主要热源
• 4.3 热变形对滚齿加工精度的影响
• 4.3.1 滚齿机床的热变形
• 4.3.2 立式滚齿机热变形引起的滚刀与工件之间的位置偏差
• 4.3.3 YK3610 型滚齿机热变形引起的滚刀与工件之间的位置偏差
• 4.4 本章小结
• 第五章 工件主轴热特性有限元分析
• 5.1 引言
• 5.2 工件主轴热特性分析
• 5.3 工件主轴热变形有限元分析
• 5.3.1 有限元分析的基本原理
• 5.3.2 ANSYS 简介
• 5.3.3 YK3610 滚齿机工件主轴有限元模型
• 5.4 本章小结
• 第六章 YK3610 滚齿机误差元素建模
• 6.1 引言
• 6.2 YK3610 滚齿机热误差建模
• 6.2.1 基于聚类算法的温度变量优选
• 6.2.2 基于蚁群算法的BP 神经网络模型
• 6.3 定位误差建模
• 6.3.1 与位置有关的定位误差建模
• 6.3.2 与位置和温度有关的定位误差建模
• 6.4 本章小结
• 第七章 基于西门子数控系统的实时误差补偿实验
• 7.1 引言
• 7.2 基于西门子数控系统的实时误差补偿原理
• 7.3 误差补偿器设计
• 7.3.1 硬件设计
• 7.3.2 软件设计
• 7.4 YK3610 滚齿机热误差补偿
• 7.5 YK3610 滚齿机定位误差补偿
• 7.6 齿轮加工误差检验
• 7.6.1 齿距偏差及齿距累积误差
• 7.6.2 齿形误差与齿向误差
• 7.6.3 齿厚误差
• 7.7 本章小结
• 第八章 总结与展望
• 8.1 主要结论
• 8.2 本文主要创新点
• 8.3 研究展望
• 参考文献
• 致谢
• 攻读博士学位期间已发表或录用的论文