数控机床三维空间误差建模及补偿研究

论文摘要

随着现代制造技术的不断发展,对精密加工技术提出了更高要求。误差补偿已成为提高机床精度和改善机床性能的重要途径之一。因此,对数控机床三维空间误差补偿技术进行研究具有十分重要的意义。结合国家自然科学基金资助项目“高速机床运动部件多孔金属拓扑可调热结构新构型的研究”（No.50675199）和“高档数控机床与基础制造装备”科技重大专项“基于敏感点监测的闭环动态综合补偿技术”（No.2009ZX04014-026）的研究任务和国内外研究现状,本学位论文采用理论研究、计算机仿真与实验研究相结合的研究方法对数控机床三维空间误差的建模及补偿技术进行了研究。取得的主要研究成果归纳如下:通过对多体系统理论的休斯敦方法的研究,以三轴立式数控机床为例,分析计算其拓扑结构及低序体阵列、机床约束条件和误差变换矩阵等,建立了具有简洁方便、程式化和通用性好等优点的数控机床三维空间误差模型。分析了9线法、12线法和分步对角矢量测量等方法,揭示了激光分步对角矢量测量方法与误差模型的内在关系,重点探讨了误差分离技术,并推导了各项误差源的计算方法,即线性定位误差、直线度误差、偏角误差和垂直度误差。重点研究浙大自主研发的开放式数控系统的三维空间误差补偿功能,提出了空间三维补偿表的补偿细化和精化的补偿思路,建立了机床工作空间与空间误差的映射模型和三维补偿表,为实现精确的误差补偿奠定了基础。开发了数控机床三维空间误差的快速分析软件,集成了建模、测量及补偿于一体。其功能包括分析处理测量数据、分离各项误差源、可视化结果,并且针对不同的控制系统生成相应的补偿文件等。并通过仿真实验验证了分析软件平台的可靠性和快速性。最后,展开了数控机床三维空间误差补偿实验,传统激光测量与激光分步对角矢量测量的对照实验和基于开放式数控系统的空间三维位置补偿实验。实验结果表明:本论文建立的三维空间误差模型、推导的误差分离技术和基于三维补偿表的位置补偿方法是行之有效的。

论文目录

• 致谢
• 摘要
• ABSTRACT
• 目录
• 1 绪论
• 1.1 课题研究背景及意义
• 1.2 机床三维空间误差
• 1.3 数控机床空间误差研究现状
• 1.3.1 国外研究现状
• 1.3.2 国内研究现状
• 1.4 数控机床空间误差补偿发展趋势
• 1.5 论文的课题来源和主要研究内容
• 1.5.1 论文课题来源
• 1.5.2 论文总体框架
• 1.5.3 论文主要内容
• 2 基于多体系统理论的数控机床三维空间误差建模
• 2.1 引言
• 2.2 多体系统理论
• 2.2.1 多体系统理论提出背景
• 2.2.2 拓扑结构及低序体阵列
• 2.2.3 系统中典型物体的描述
• 2.2.4 变换矩阵表达方式
• 2.2.5 Denavit-Hartenberg矩阵
• 2.3 数控机床的三维空间误差建模
• 2.3.1 数控机床的拓扑结构分析
• 2.3.2 数控机床的结构约束条件
• 2.3.3 数控机床误差传递矩阵
• 2.3.4 数控机床三维空间误差数学模型
• 2.4 本章小结
• 3 数控机床三维空间误差测量方法
• 3.1 引言
• 3.2 传统测量方法
• 3.2.1 9线法
• 3.2.2 12线法
• 3.2.3 对角线位移测量
• 3.3 激光分步对角矢量测量方法
• 3.3.1 多普勒效应
• 3.3.2 测量原理
• 3.4 误差分离技术
• 3.4.1 反向间隙
• 3.4.2 垂直度误差
• 3.4.3 定位误差、直线度误差和角度误差
• 3.5 对比优缺点
• 3.5.1 误差测量方法
• 3.5.2 数据处理方面
• 3.6 本章小结
• 4 数控机床三维空间误差补偿技术
• 4.1 引言
• 4.2 补偿相关概念
• 4.2.1 补偿的分类
• 4.2.2 三维空间误差补偿
• 4.3 补偿原理流程设计
• 4.4 三维空间误差补偿表的建立
• 4.4.1 可编程多轴控制器PMAC
• 4.4.2 PMAC位置补偿
• 4.4.3 空间误差与三维表映射关系
• 4.5 本章小节
• 5 数控机床三维空间误差分析软件开发
• 5.1 引言
• 5.2 软件开发设计
• 5.2.1 软件模块及功能分析
• 5.2.2 软件流程图
• 5.2.3 软件界面设计
• 5.3 仿真实验
• 5.3.1 仿真实验设计
• 5.3.2 仿真结果分析
• 5.4 本章小结
• 6 数控机床三维空间误差补偿实验
• 6.1 引言
• 6.2 测量标准
• 6.3 实验一
• 6.3.1 实验设备
• 6.3.2 实验步骤
• 6.3.3 结果分析及讨论
• 6.3.4 结论
• 6.4 实验二
• 6.4.1 实验设备
• 6.4.2 实验步骤
• 6.4.3 结果分析及讨论
• 6.4.4 结论
• 6.5 本章小结
• 7 结论与展望
• 7.1 结论
• 7.2 展望
• 攻读硕士学位期间发表的论文和参加科研情况
• 参考文献