数控机床三维空间误差建模及补偿技术研究

论文摘要

高效率、高精度是现代制造业的主要发展方向，制造装备的精密程度在很大程度上影响了现代制造业的发展。现代制造业对数控机床的性能要求越来越高，采用恰当的方法提高机床的精度具有十分重要的意义。误差补偿技术是提高数控机床精度的主要手段之一，本论文通过理论分析、软件设计和实验验证实现了对机床空间误差的补偿。具体的研究内容如下：深入研究了基于多体系统理论的机床结构描述方法。在综合考虑夹具位姿误差的影响下，根据多体系统内任意点的位置变换原理建立了数控机床空间误差的通用补偿模型；并以三轴数控机床为例，求解了不同结构类型下的三轴数控机床误差模型表达式。采用雷尼绍激光干涉仪对SK-5L14075型数控机床的X、Z轴向线性位移误差进行了测量。结合机床误差测量的需要，对十四线法、十二线法和九线法等综合误差辨识方法进行了比较，详细分析了九线法的综合误差辨识原理。通过对四种常见空间误差补偿方法的分析，提出了一种基于数控系统插补数据的空间误差补偿方法，在此基础上进一步研究了机床空间误差补偿功能与数控系统的集成方法。基于对空间误差补偿方法、补偿功能和补偿流程的分析，设计了机床空间误差补偿软件。根据补偿软件与数控系统的通信需要，开发了补偿软件与数控系统的通信接口和相应的数据处理模块，实现了空间误差的补偿功能及其与数控系统的集成，提高了数控系统的综合性能。最后，本论文设计了空间误差补偿功能的实验验证方案。通过对有无补偿软件、数控系统是否具有补偿功能两种条件下机床空间误差的检测，验证了本文提出的误差补偿模型及补偿方法的有效性。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 课题研究背景及意义
• 1.2 本课题国内外研究现状分析
• 1.2.1 机床空间误差建模技术的研究
• 1.2.2 机床误差测量与辨识方法的研究
• 1.2.3 机床空间误差补偿技术的研究
• 1.2.4 本课题研究的不足
• 1.3 本课题的主要研究内容
• 第二章 数控机床空间误差建模方法
• 2.1 数控机床的误差分析
• 2.2 多体系统理论
• 2.3 基于多体系统的机床误差建模
• 2.3.1 系统相邻体位置描述
• 2.3.2 系统内任意位置点的变换描述
• 2.3.3 数控机床空间误差通用模型
• 2.3.4 机床空间误差模型的表达式分析
• 2.4 典型三轴数控机床的误差模型建立
• 2.4.1 三轴数控机床的结构类型分析
• 2.4.2 三轴数控机床的空间误差建模分析
• 2.4.3 常见类型三轴数控机床的误差模型
• 2.5 本章小结
• 第三章 数控机床空间误差测量方法
• 3.1 机床误差检测仪器的选择
• 3.1.1 光栅测量装置测量原理
• 3.1.2 球杆仪测量原理
• 3.1.3 激光干涉仪测量原理
• 3.2 机床误差测量方法
• 3.2.1 十四条位移线测量法
• 3.2.2 十二条位移线测量法
• 3.2.3 九线法
• 3.3 基于激光干涉仪的机床线性误差检测
• 3.3.1 机床线性误差检测要求
• 3.3.2 机床线性误差检测结果
• 3.4 本章小结
• 第四章 数控机床空间误差补偿方法
• 4.1 概述
• 4.2 误差补偿技术
• 4.3 数控机床空间误差补偿方法
• 4.3.1 数控机床误差补偿综述
• 4.3.2 常见的数控机床误差补偿方法
• 4.4 基于数控系统插补数据的误差补偿方法
• 4.4.1 四开数控系统介绍
• 4.4.2 误差补偿方法的提出
• 4.4.3 两种误差补偿方法的比较
• 4.5 本章小结
• 第五章 机床空间误差补偿软件的设计与开发
• 5.1 软件功能与流程分析
• 5.2 软件设计与开发
• 5.2.1 软件操作界面设计
• 5.2.2 补偿软件与数控系统的通信接口设计
• 5.3 补偿软件的功能实现
• 5.3.1 误差测量程序交互编程功能的实现
• 5.3.2 单项误差元素辨识分离功能的实现
• 5.3.3 机床综合误差模型建立功能的实现
• 5.3.4 数控代码文件离线修正功能的实现
• 5.3.5 机床空间误差动态补偿与仿真功能的实现
• 5.4 误差补偿功能与数控系统集成的实现
• 5.5 本章小结
• 第六章 数控机床空间误差补偿实验
• 6.1 实验方案设计
• 6.2 实验条件和实验步骤
• 6.3 实验结果分析和讨论
• 6.4 本章小结
• 第七章 总结与展望
• 7.1 总结
• 7.2 展望
• 参考文献
• 致谢
• 在学期间的研究成果及发表的学术论文