五轴数控机床运动精度可靠性分析与仿真

论文摘要

五轴联动加工中心是数控机床的高端产品。运动精度是评价机构质量的重要考核指标。以往五轴联动机床机构运动精度分析中,往往不考虑输入误差的随机性,造成评价结果不准确。本文针对这一问题,在前人研究的基础上针对RRTTT型机床做了进一步的研究,为提高机床加工精度和使用寿命提供了一定的理论参考。应用齐次坐标变换,推导了VMC650型五轴机床的运动学方程,对加工中心进行了位置反解；利用插补原理对加工中心进行了三轴联动及五轴联动情况下的复杂曲线的轨迹规划。基于多体系统运动学理论的基本原理,结合RRTTT型五轴联动数控机床,阐述了多体系统的拓扑结构和低序体阵列,构建了五轴数控机床的一般运动学误差模型；分别建立了RRTTT型五轴数控机床的尺寸误差模型、间隙误差模型、驱动误差模型及综合误差模型,并以特定机床一VMC650为实例进行了误差分析,分别对VMC650加工中心进行了尺寸误差、间隙误差、驱动误差及综合误差的定点误差分析和轨迹误差分析。考虑输入误差的随机性,推导了机构运动精度可靠性计算模型,给出了运动可靠度计算方法。利用Monte carlo抽样法与Matlab软件相结合,针对特定机床VMC650进行运动可靠性分析与计算,得出机床在x、夕、z三个坐标轴上及合方向上的输出误差的分布状态,并验证了运动可靠度理论求解与仿真计算的一致性；定量考察了输入误差的随机性对加工中心运动可靠性的影响,得出总的位置误差可靠度是随着角度误差和非角度误差的输入误差均值的增大而减小的,且在改变量相同的情况下,角度误差对可靠度的影响更大。分析结果对实际工程应用具有一定参考价值。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题的背景及意义
• 1.2 五轴联动数控机床的概述
• 1.3 五轴数控机床运动精度可靠性分析的研究现状
• 1.3.1 研究机构运动可靠性的意义
• 1.3.2 机构运动精度可靠性国内外的研究现状
• 1.3.3 数控机床误差建模技术国内外的发展现状
• 1.4 本论文的主要研究工作
• 第2章 加工中心运动可靠性分析的数学基础
• 2.1 数学基础的概述
• 2.2 齐次坐标变换
• 2.2.1 齐次坐标的性质
• 2.2.2 齐次坐标的变换规则
• 2.3 伪随机数的产生
• 2.3.1 产生0-1均匀分布伪随机数的方法
• 2.3.2 产生正态分布伪随机数的方法
• 2.3.3 产生其它分布伪随机数的方法
• 2.4 本章小结
• 第3章 机构运动学分析
• 3.1 运动学分析概述
• 3.2 加工中心机构位置分析
• 3.3 加工中心轨迹规划研究
• 3.3.1 插补控制概述
• 3.3.2 五轴联动加工中心的单刀具运动轨迹规划
• 3.4 五轴联动加工环境下的运动轨迹规划
• 3.4.1 圆弧插补模型
• 3.4.2 椭圆弧规划模型
• 3.5 本章小结
• 第4章 五轴联动加工中心机构误差建模技术
• 4.1 误差的来源与分类
• 4.1.1 误差的来源与分类
• 4.1.2 误差的分类
• 4.1.3 数控机床误差类型的描述
• 4.2 机床关节误差计算模型
• 4.2.1 移动关节误差模型
• 4.2.2 转动关节误差模型建立
• 4.2.3 单关节综合误差模型
• 4.3 VMC650五轴联动加工中心误差分析模型
• 4.3.1 多体系统误差建模概述
• 4.3.2 特征矩阵的创建
• 4.3.3 考虑尺寸误差时的机构误差模型建立
• 4.3.4 考虑间隙误差时的机构误差模型建立
• 4.3.5 考虑驱动误差时的机构误差模型建立
• 4.3.6 综合误差模型建立
• 4.3.7 VMC650五轴联动加工中心误差分析
• 4.8 本章小结
• 第5章 机构运动可靠性分析
• 5.1 运动可靠性的定义和影响因素
• 5.1.1 机构运动可靠性的定义
• 5.1.2 机构运动可靠性的影响因素
• 5.2 机构运动可靠性的指标和计算方法
• 5.2.1 机构运动可靠性指标
• 5.2.2 机构运动可靠性计算方法
• 5.3 VMC650机床机构运动可靠性分析
• 5.3.1 VMC650机床机构运动可靠性分析数学模型
• 5.3.2 VMC650机床实例计算
• 5.5 本章小结
• 第6章 结论与展望
• 参考文献
• 致谢