大型多轴机床几何误差建模及后置补偿求解

摘要

航空、航天和船舶等制造领域的高速发展，使大型化、复杂化的零件在工程应用越来越广泛。为了满足这类零件的特殊加工要求，机床也往大型化、多轴化和运动结构特殊化方向发展。但由于大型多轴机床轴数多、行程大、结构复杂等特点，其几何误差分量多、形式复杂，会随着运动轴位置有较大的变化，经各运动轴的耦合放大后，对轮廓误差产生更大的影响，限制了大型多轴机床精度的提高和发展。
　　针对大型多轴机床运动轴位置变化对几何误差影响大问题，分离了几何误差中与位置相关的误差项和与位置无关的误差项，根据各自的特点对机床理论运动学模型进行了修正，建立了考虑位置变化对机床几何误差影响的含参数几何误差的运动学模型，并给出了大型车铣复合机床的参数几何误差建模过程。
　　基于T3激光跟踪仪和STS六维高性能传感器，进行了参数几何误差标定分析。通过直线拟合、圆拟合得到机床的位置误差值；通过B样条曲线的拟合得到机床单元误差随运动轴位置的变换函数，并在一定程度上滤除了测量的随机误差。对大型车铣复合极差角度误差敏感性进行了正交试验，通过极差分析和方差分析得到了角度误差对机床加工精度的影响。
　　提出了参数几何误差运动学模型下的后置处理误差补偿求解算法，通过将机床参数误差模型的超定方程组问题，转化为简单的线性方程组求解和单变量一维搜索问题，实现复杂的含误差运动学模型的逆向求解。通过在车铣加工中心上的补偿效果仿真实验，验证了误差补偿算法对位置误差和可变单元误差引起的加工误差的补偿效果。
　　开发了数控加工通用后置处理软件，该软件可以进行数控加工的后置处理、含误差补偿的后置处理和加工仿真。能够以图形化的方式建立三维机床模型，配置机床结构和控制器，采用适应多种不同机床结构的通用后置处理算法将工件的刀位文件转换为加工机床的数控程序代码，并进行三维加工仿真。

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1 绪 论

1.1 课题来源

1.2 研究背景及意义

1.3 研究综述

1.4 主要工作

2 大型多轴机床的参数几何误差及其运动学建模

2.1 大型多轴机床的几何误差

2.2 大型多轴机床的参数几何误差运动学建模

2.3 含参数几何误差的运动学建模实例

2.4 本章小结

3 大型多轴机床参数几何误差敏感性分析和标定

3.1 大型机床参数几何误差标定

3.2 多轴机床刀具姿态几何误差敏感性分析

3.3 本章小结

4 大型多轴机床几何误差解耦补偿求解

4.1 解耦补偿求解通用算法

4.2 解耦补偿求解通用算法仿真验证

4.3 本章小结

5 数控加工通用后置处理软件开发

5.1 通用后置处理软件结构设计

5.2 通用后置处理软件功能介绍

5.3 通用后置处理软件实例验证

5.4 本章小结

6 总结与展望

6.1 全文总结

6.2 研究展望

致谢

参考文献

附录I 攻读学位期间发表学术论文目录