基于精密球关节的空间二连杆式球杆仪

摘要

球杆仪是一种广泛应用的数控机床误差检测装置，具有结构简单、操作方便、检测高效等特点，在实际工程应用中发挥着重要的作用。不过由于机械结构的约束，球杆仪的工作范围取决于测量杆长度值（即球杆仪工作时测量圆的半径）。通常的球杆仪配备有几个增长杆，以扩展其测量圆半径值，但增长杆的使用并不能使球杆仪的工作范围连续（即测量圆的半径只有几个固定的值），被测空间内存在许多无法测量的点。如果能设计出一种新型球杆仪，使其可以连续检测数控机床在加工范围的所有空间位置的几何精度，将有利于扩展机床几何精度检测的覆盖范围，具有重要的意义与广泛的应用前景。　　本文在浙江省自然科学基金重点项目“基于球面电容传感器的机器人精密球关节多维运动位移检测研究（No. LZ16E050001）”的经费资助下，以球杆仪为研究对象，基于精密球关节（又称球铰链），提出一种新型结构的球杆仪：基于精密球关节的空间二连杆式球杆仪（A novel double-ball bar with one spherical joint connecting two bars,简称J-DBB）。采用理论建模、数值仿真和实验研究相结合的方法，重点研究J-DBB的误差检测原理和用于数控机床误差检测的可行性。论文主要从以下几方面开展研究工作：　　（1）分析球杆仪的研究与应用背景，阐述开展基于精密球关节的新型空间二连杆式球球仪研究的重要意义，综述数控机床误差检测方法、球杆仪研究与应用等方面的国内外研究现状，提出论文研究的主要研究内容。　　（2）分析数控机床误差的产生原因，并对其进行分类；设计 J-DBB的机械结构，对其测量坐标系进行设置，对其分辨率进行计算和讨论；分析J-DBB的机械结构模型，建立J-DBB误差检测的数学模型。　　（3）基于数学模型对J-DBB的误差检测结果进行数值仿真分析，验证J-DBB用于数控机床误差检测的可行性。　　（4）提出机械解耦位姿检测方案，搭建 J-DBB机械解耦可行性验证实验系统和J-DBB误差检测原理可行性验证实验系统，研制J-DBB实验原型样机，开展实验研究，验证基于J-DBB的数控机床误差检测方法的可行性、数值仿真分析的正确性、以及J-DBB结构设计的有效性。

目录

声明

1 绪 论

1.1 课题研究背景及意义

1.2国内外的研究现状

1.3 论文的主要研究内容

1.4 本章小结

2. J-DBB误差检测原理研究

2.1 引言

2.2 数控机床误差分析和分类

2.3 J-DBB的误差检测原理

2.4 不同误差原因下的数控机床主轴的误差表达式

2.5 J-DBB的误差检测表达式分析

2.6 本章小结

3. J-DBB的误差检测原理仿真研究

3.1 引言

3.2 J-DBB对机床定位误差检测结果仿真

3.3 J-DBB对导轨形状误差检测结果仿真

3.4 J-DBB的误差检测仿真结果对比分析

3.5 本章小结

4. J-DBB的误差检测原理实验研究

4.1 引言

4.2 J-DBB精密球关节位姿的机械解耦检测方案

4.3 实验系统构建

4.4 J-DBB机械解耦原理验证实验

4.5 J-DBB的误差检测原理验证实验

4.6 本章小结

5. 总结与展望

5.1 总结

5.2 展望

参考文献

致谢

附录

作者在读期间发表的学术论文及参加的科研项目