多功能复合五轴数控机床误差综合建模与测量技术研究

摘要

随着现代制造业的不断发展，精密和超精密加工技术越来越受到青睐。数控机床作为发展新兴高新技术产业和尖端工业的基础装备，被广泛应用于生产现场。当前对五轴数控机床误差综合建模及测量技术的研究还比较少，在国家科学自然基金项目“复杂制造过程异源误差流耦合机理与控制方法研究”的支持下，本课题致力于研究五轴数控机床误差综合建模、几何误差的9线法快速测量、热误差的温度布点优化以及误差元素建模等相关内容。本文的主要研究内容有:
　　1.多功能复合五轴数控机床误差源及误差运动学分析。本文详细分析了五轴机床的结构特征及其主要误差源，分别对机床的移动副和转动副误差元素进行了分析，给出了机床全部的几何及热误差元素。进行了机床误差运动学分析，分别给出了移动副和转动副的误差运动学方程，为误差综合建模打下基础。
　　2.通过对多功能复合五轴数控机床的结构和相互运动关系分析，建立多功能复合五轴数控机床误差综合模型。将机床刀具相对于工件的运动用多刚体间的位姿关系来描述，将刀具和工件间的关系表达为刀具到床身之间的“刀具—床身”运动链和工件到床身之间的“工件—床身”运动链间的位姿关系。首先利用刚体间的标准齐次坐标变换技术对五轴数控机床进行了误差综合建模，然后基于小误差假设，对误差综合模型进行简化，得出该数控机床的误差综合数学模型，并验证了模型的正确性。
　　3.进行数控机床空间误差的分布对角线快速测量方法研究。本文使用空间误差的分步对角线测量方法，通过分步测量机床工作空间的9条线包括三条体对角线方向误差，再结合相应的几何误差辨识技术，可以快速得到机床平动轴的21项几何误差。
　　4.进行热误差测量系统及温度布点优化研究。本研究利用实验室开发的温度和热误差检测系统进行了温度及热误差数据采集，获得了机床温度场及主轴热误差数据。

目录

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摘要

插图索引

附表索引

第1章 绪论

1．1 课题来源

1．2 课题的意义

1．3 国内外相关领域研究现状

1．3．1 国外研究现状

1．3．2 国内研究现状

1．4 误差建模与测量的关键技术

1．4．1 机床误差及误差源分析

1．4．2 误差综合建模技术

1．4．3 机床误差测量技术

1．5 本文研究主要内容

第2章 误差元素及误差运动学分析

2．1 五轴加工中心简介

2．2 机床结构与运动关系分析

2．2．1 结构分析

2．2．2 运动关系分析

2．3 机床的误差元素

2．3．1 移动副的误差元素

2．3．2 转动副的误差元素

2．3．3 主轴的误差元素

2．3．4 五轴数控机床的几何和热误差

2．4 运动副误差运动学分析

2．4．1 齐次坐标变换

2．4．2 移动副误差运动学分析

2．4．3 转动副误差运动学分析

2．5 本章小结

第3章 机床误差综合建模

3．1 机床运动链分析

3．2 五轴数控机床误差的综合建模

3．2．1 参考坐标系的方向定义

3．2．2 机床坐标系设定

3．2．3 各运动链之间的齐次变换

3．2．4 误差综合模型的建立

3．3 误差综合模型的验证

3．4 本章小结

第4章 五轴数控机床误差测量技术

4．1 几何误差测量

4．1．1 激光干涉仪测量系统

4．1．2 平动轴误差测量

4．1．2 其它几何误差的测量

4．2 热误差测量

4．2．1 温度与热误差测量系统

4．2．2 温度测量

4．2．3 热误差测量

4．3 本章小结

第5章 总结与展望

5．1 总结

5．2 展望

参考文献

致谢

附录 攻读学位期间所发表的学术论文目录