基于球杆仪的高速五轴数控机床综合误差建模与检测方法

论文摘要

装配有高速电主轴与直线电机的现代高速机床的热误差检测是当前业内的研究热点问题,尤其电主轴热漂移误差的检测是广受关注的难点问题。结合五轴高速加工中心误差检测项目,本论文研究了转动轴误差检测方法、一体式电主轴系统、直线电机驱动系统热误差检测方法等现代高端机床精度检测难点问题,建立了加工中心综合误差数学模型,完成了对电主轴系统、直线电机系统的有限元热分析,并完成基于球杆仪的机床综合误差检测试验。取得的主要研究成果如下:基于齐次坐标变换原理,建立了基于球杆仪检测原理的综合误差模型,该模型包含对加工精度影响较大的工作台旋转轴C轴的四项安装定位误差,主轴热漂移误差,以及直线电机驱动下的三直轴各项几何误差与热误差,据此模型,提出了基于球杆仪测量原理的误差检测方法;基于有限元热分析方法,借助商用软件ANSYS的热分析模块完成了机床整体温度场分布,主轴与直线导轨热变形的有限元分析,得出了主轴的三种可能热变形模式与直线导轨的热变形模式;构建了针对高速五轴机床的主要误差元素的球杆仪检测模式,完成了各检测模式的球杆仪检测轨迹仿真,据此得出工作台旋转轴C轴的四项安装定位误差、主轴热漂移误差以及直线电机驱动下的三直轴各项几何误差与热误差的球杆仪圆轨迹特征;根据机床运动传递链的封闭性原理,提出了基于球杆仪测量数据的几何误差与热误差分离方法,并应用最小二乘法提出了球杆仪自身安装定位误差的分离方法,提高了检测精度;综合球杆仪检测数据,绘制主轴热漂移规律曲线,直线导轨上不同位置处热变形规律曲线,并得到出现热误差前后工作空间内工作台平面上的综合误差分布变化规律,提出了机床精度评价方法。本文工作对我国高端机床的自主开发及精度提高有重要实用价值,并且本文提出的误差分析检测方法适用于类似结构的五轴机床和高速机床。

论文目录

• 中文摘要
• 英文摘要
• 第一章 绪论
• 1.1 课题研究背景及意义
• 1.2 国内外研究现状
• 1.2.1 机床主要误差元素分类
• 1.2.2 机床热误差建模与检测方法回顾
• 1.2.3 高速电主轴热态特性研究
• 1.2.4 直线电机驱动热误差检测
• 1.2.5 球杆仪的应用现状
• 1.3 回顾总结与课题提出
• 1.4 本文主要研究内容
• 第二章 综合误差检测模型的建立
• 2.1 引言
• 2.2 误差矩阵的推导
• 2.3 综合误差模型的建立
• 2.3.1 机床误差分析方法
• 2.3.2 机床结构与主要部件
• 2.3.3 主要坐标系设置
• 2.3.4 理想变换矩阵
• 2.3.5 误差元素分析
• 2.3.6 含误差元素的变换矩阵
• 2.3.7 综合误差模型
• 2.4 误差分离原理
• 2.5 球杆仪安装误差分离方法
• 2.6 本章小结
• 第三章 机床结构有限元热分析
• 3.1 引言
• 3.2 热源分析
• 3.2.1 机床主要热源
• 3.2.2 热特性分析方法
• 3.3 热态性能分析
• 3.3.1 整体温度场有限元计算
• 3.3.2 主轴系统热态性能分析
• 3.3.3 直线导轨热态性能分析
• 3.4 本章小结
• 第四章 球杆仪检测模式及仿真结果
• 4.1 引言
• 4.2 误差检测思路
• 4.3 测量模式设计及仿真结果
• 4.3.1 测量模式1
• 4.3.2 测量模式2
• 4.3.3 测量模式3
• 4.3.4 测量模式4
• 4.3.5 测量模式5
• 4.4 本章小结
• 第五章 球杆仪检测试验及结果分析
• 5.1 引言
• 5.2 试验仪器
• 5.3 试验设计
• 5.3.1 工作台几何误差检测
• 5.3.2 主轴热漂移误差检测
• 5.3.3 直线导轨误差检测
• 5.4 机床精度评价
• 5.5 本章小结
• 第六章全文总结
• 参考文献
• 论文作者在攻读博士学位期间参加的科研项目和完成的学术论文
• 致谢