基于误差敏感方向加工测试的五轴机床旋转轴运动误差辨识方法研究

摘要

随着五轴数控机床越来越多地被用于高精加工，如何提高其加工精度成为广受关注的技术关键。运动精度是研发高精度五轴机床最基础的指标，而提高机床运动精度的前提是对运动误差进行快速、准确的辨识。本学位论文在国家重大科技专项“高档数控机床与基础制造装备”和浙江省重点科技创新团队“高档数控机床及其关键技术”等项目的资助和支持下，对基于误差敏感方向的五轴机床旋转轴运动误差加工测试辨识方法进行了研究。论文主要研究内容和成果概述如下:
　　比较研究了机床误差直接测量法和误差辨识法的不同原理，总结出机床误差的非切削辨识方法和加工测试辨识方法的优缺点，并系统地综述了机床运动误差辨识技术的国内外研究现状。针对现有的五轴机床旋转轴运动误差辨识技术中存在的计算复杂、操作耗时、成本较高、通用性不强等问题，结合机床用户和制造厂家的实际需求，提出一种插补运动检测和工作精度检测相结合的研究方法，根据插补运动的数学模型设计切削实验，进而从试件的加工误差中快速地辨识出旋转轴的运动误差源。
　　通过优化机床坐标系设置，提出了一种基于机器人运动学的五轴机床运动误差简化建模方法，并以两个旋转轴叠加在一起的万能主轴头型和摇篮式五轴机床为例，推导了运动误差的数学公式，所建立的数学模型表达式简单，物理意义明确，便于分离旋转轴单项运动误差，为误差辨识的实施奠定了基础。
　　提出一种基于误差敏感方向的五轴机床旋转轴运动误差加工测试辨识方法。该方法首先在机床转台运动学模型中引入误差敏感方向矢量进行矩阵运算，建立了工件加工误差和转台旋转轴各项运动误差之间的函数关系。然后对已切削试件进行三坐标采样测量得到加工误差，并根据加工误差辨识出转台回转轴各项运动误差。该方法对旋转轴运动误差的检测分为两步，即转台回转轴单独运动测试和摆动轴、回转轴联动测试，共包含十种加工模式。实验结果表明，相对于现有文献中的加工测试误差辨识方法，本方法对各种转角范围的五轴机床通用性强，可以大幅减少计算的复杂程度，提高检测效率，降低检验成本。
　　采用蒙特卡罗模拟和数理统计相结合的方法，对五轴机床运动误差加工测试过程进行了不确定度分析，将工件加工误差的测量不确定度分配到机床各项运动误差中，以评估基于加工测试的运动误差评定结果的可信度，为该方法在产业界的推广应用提供了参考和依据。

目录

声明

致谢

摘要

第1章 绪论

1．1 课题背景

1．2 研究的目的与意义

1．3 机床误差辨识技术国内外研究现状

1．3．1 机床误差测量方法的分类

1．3．2 五轴机床旋转轴误差辨识技术国外研究现状

1．3．3 五轴机床误差辨识技术国内研究现状

1．4 本文研究内容与论文总体框架

第2章 五轴机床运动误差建模研究

2．1 五轴机床机械结构分析

2．2 五轴机床运动误差分析

2．2．1 五轴机床误差的来源

2．2．2 五轴机床运动误差的定义

2．2．3 五轴机床运动误差的表示方法

2．3 基于机器人运动学的五轴机床运动误差建模方法研究

2．4 万能主轴头型五轴机床误差建模研究

2．4．1 主轴头坐标系的建立

2．4．2 主轴头空间误差建模

2．5 摇篮式五轴机床运动误差建模研究

2．5．1 机床误差源分析

2．5．2 摇篮式五轴机床空间误差的简化建模方法

2．6 本章小结

第3章 基于误差敏感方向加工测试的C轴运动误差辨识

3．1 C轴运动误差源分析

3．2 机床转台回转运动的数学模型

3．3 C轴加工测试

3．4 C轴运动误差识别

3．4．1 C轴加工模式一的运动误差识别

3．4．2 C轴加工模式二的运动误差识别

3．5 本章小结

第4章 基于误差敏感方向加工测试的A轴运动误差辨识

4．1 A轴运动误差源分析

4．2 机床转台摆动／回转运动的数学模型

4．3 A轴加工测试方案设计

4．3．1 工件初始位置在+YF方向时的加工模式开发

4．3．2 工件初始位置在+XF方向时的加工模式开发

4．4 A轴运动误差识别

4．4．1 A轴加工模式一的运动误差识别

4．4．2 A轴加工模式二的运动误差识别

4．4．3 A轴加工模式三的运动误差识别

4．4．4 A轴加工模式四的运动误差识别

4．4．5 A轴加工模式五的运动误差识别

4．4．6 A轴加工模式六的运动误差识别

4．5 本章小结

第5章 基于误差敏感方向的五轴机床旋转轴加工测试实验研究

5．1 加工测试实验方寨

5．1．1 实验机床结构与性能分析

5．1．2 加工测试实验验证

5．2 试件测量

5．2．1 CMM采样拟合原理

5．2．2 CMM采样数据处理

5．3 机床运动误差计算

5．3．1 C轴加工测试运动误差计算

5．3．2 A轴加工测试运动误差计算

5．4 本章小结

第6章 五轴机床旋转轴运动误差测量不确定度分析

6．1 机床误差测量不确定度评定技术概述

6．2 五轴机床误差测量不确定度的间接评定

6．2．1 间接测量不确定度评定原理

6．2．2 基于蒙特卡洛方法的五轴机床旋转轴误差测量不确定度评定

6．3 本章小结

第7章 总结与展望

7．1 全文总结

7．2 展望

参考文献

攻读博士学位期间主要的研究成果和参加科研情况