五轴数控机床运动误差辨识及加工精度预测技术研究

论文摘要

随着技术的进步,制造行业对具有复杂几何形状和高尺寸精度的机械零部件的需求急剧增加,五轴数控加工机床已经被广泛应用于模具和具有复杂形状的机械零部件的加工,例如航空部件和涡轮叶片等。与三轴机床相比,五轴机床多出2个旋转自由度,当机床在加工自由曲面时它能为切削工件提供直接的坐标,并且可以通过改变刀具的方向来优化切削性能。但是机床结构复杂程度的增加也给机床加工精度的提高带来一定的困难,这主要是由于五轴机床中的直线轴与旋转轴的联动和由运动误差耦合引起的复杂数学模型使得相关技术的应用非常困难。据此本文从以下两方面来进行五轴机床运动误差辨识技术的研究:首先,进行基于双球杆仪的运动误差辨识技术研究。针对双轴旋转工作台五轴数控机床,运用齐次变换矩阵建立了基于双球杆仪的五轴机床运动误差模型。为了测量双轴转台五轴数控机床的运动误差,提出一种基于双球杆仪的五轴机床运动误差分离方法。此方法主要是通过控制数控机床的运动,使机床的任意1个旋转运动轴与2个直线动轴构成三轴联动而另外2个运动轴保持静止,据此设计了6种机床运动轨迹来测量空间误差。在测量过程中采用双球杆仪来测量主轴与工作台之间的相对距离,将所测特定位置处的长度值代入误差模型即可得出机床的运动误差。该方法大大简化了数学模型的计算和误差分离的整个过程。通过仿真分析表明:此方法可以非常精确地分离出五轴数控机床的旋转工作台的所有8个运动误差,是一种非常有效而简便的五轴数控机床运动误差测量方法。其次,进行基于斜置锥台的运动误差辨识与加工精度预测技术研究。提出一种基于锥台曲面特征的五轴机床误差分离方法,并建立了锥台的五轴联动加工运动误差模型。根据该模型进行了锥台侧面的圆度误差仿真分析,从仿真结果可以看出各个运动误差项对锥台侧面圆度的影响程度不同,角度误差一般比平移误差的影响程度大很多。同时针对锥台侧面的加工精度进行五轴机床运动误差分离的研究,利用非线性回归分析方法分别推导出基于锥台侧面圆度误差和基于锥台侧面母线斜角误差的运动误差的最小二乘估计值。仿真分析结果表明本章所提出的运动误差辨识方法精度较高,且机床运动误差越小误差辨识结果越准确。本文中所提出的两种针对五轴联动数控机床运动误差辨识技术具有较强的实用性,各自有不同的特点。可以根据实际情况选择合适的运动误差辨识方法,推广应用于实际的五轴机床制造过程和五轴加工中以分析五轴机床加工误差的主要误差源,据此对五轴机床加以改进或进行误差补偿从而提高机床的加工精度。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第1章 绪论
• 1.1 课题的背景及其研究意义
• 1.1.1 研究背景
• 1.1.2 研究意义
• 1.2 国内外五轴机床误差研究进展与现状
• 1.2.1 机床的误差源分析
• 1.2.3 五轴机床误差研究现状
• 1.3 机床误差研究的发展趋势
• 1.4 课题的来源及主要研究内容
• 1.4.1 课题的来源
• 1.4.2 主要研究内容
• 1.4.3 文章结构
• 第2章 多轴机床通用误差建模
• 2.1 机床运动部件误差分析
• 2.2 机床误差通用模型的建立
• 2.2.1 坐标系的建立
• 2.2.2 机床数控加工中理想刀具轨迹的生成
• 2.2.3 机床数控加工中实际刀具轨迹的生成
• 2.3 误差建模实例分析
• 2.4 本章小结
• 第3章 基于双球杆仪的五轴机床运动误差辨识
• 3.1 五轴机床的运动误差
• 3.2 基于双球杆仪的运动误差模型的建立
• 3.3 基于双球杆仪的五轴机床运动误差测试方案设计
• 3.4 基于双球杆仪的五轴机床运动误差测试方案分析
• 3.4.1 机床A 轴旋转C 轴固定
• 3.4.2 机床C 轴旋转A 轴固定
• 3.5 模型的求解（运动误差的分离）
• 3.6 仿真验证模型的正确性
• 3.7 本章小结
• 第4章 基于锥台的五轴机床运动误差辨识
• 4.1 标准切削试件设计
• 4.2 基于锥台试件的五轴机床运动误差模型
• 4.2.1 运动误差建模基本步骤
• 4.2.2 五轴机床运动误差建模
• 4.3 基于运动误差模型的锥台加工精度预测仿真
• 4.3.1 工件形貌仿真
• 4.3.2 加工误差的计算
• 4.3.3 单项运动误差对锥台加工精度的影响
• 4.4 基于标准工件形貌的五轴机床运动误差辨识分析
• 4.4.1 基于锥台侧面圆度误差的运动误差的最小二乘估计
• 4.4.2 基于锥台母线斜角误差的运动误差的最小二乘估计
• 4.5 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表的学术论文
• 致谢