多轴数控机床准静态空间误差建模及误差辨识方法研究

摘要

随着我国制造业转型升级的深入发展，各行业对精密机械产品的需求量不断攀升。数控机床作为制造业的基础装备，其加工精度直接影响工件的品质。因此，数控机床加工精度一直是学术界和工程领域的研究热点。然而，精度和误差是一对相互矛盾关系，揭示数控机床各种误差产生的机理、研究误差建模及控制方法是提高数控机床加工精度亟待解决的关键科学问题。为了解决上述问题，本论文深入研究多轴数控机床准静态空间误差建模及误差项检测辨识方法，并结合机床实验，验证所提出方法的正确性和可行性。本论文的主要研究工作和成果如下：
　　（1）提出一种基于增量矩阵的空间误差建模方法：采用增量的形式探讨机床相邻体间的实际坐标变换，通过叠加相邻体间位姿引起的误差求解机床总空间误差，为直观识别多轴数控机床关键误差源提供依据。基于所提出的建模方法，利用微分法建立了数控机床误差灵敏度分析模型，为数控机床精度分配、局部误差补偿提供理论依据。采用所提出的建模方法，建立了三轴数控机床和五轴 RTTTR型数控机床空间综合误差模型，并对两种数控机床进行误差灵敏度分析。
　　（2）设计多轴数控机床移动轴和旋转轴误差检测实验，建立了误差辨识模型：利用球杆仪将旋转轴位移误差和转角误差进行分开测量辨识，以RTTTR型五轴联动机床的A、C轴为研究对象，采用轴向和径向测量法测量辨识位移误差；结合A、C轴的具体特点，分别设计了两轴转角误差检测实验，建立了转角误差辨识模型。针对激光干涉仪九线测量法对测点要求严格、误差项计算值含累积误差、直线度测量值含垂直度问题，提出改进措施并建立新的移动轴误差辨识模型。对五轴龙门机床 QLM27100-5X开展移动轴误差检测辨识，探讨三轴移动引起的空间几何误差和热误差分布，并对空间几何误差进行灵敏度分析，验证了所提出的误差辨识方法的可行性。
　　（3）建立了多轴数控机床进给轴几何误差支持向量机模型和基于热变形修正系数的位移热误差模型：基于多轴数控机床进给轴几何误差测量数据样本少、非线性强的特点，建立移动轴和旋转轴几何误差支持向量机模型；针对当前研究忽略移动轴轴向和径向热变形系数不一致、对热误差特性把握不全面的问题，从分析移动轴热变形机理着手，考虑晶体材料线膨胀系数和体膨胀系数的关联性，从理论上修正丝杠轴向和径向热变形公式，根据移动进给系统温度场非均匀性特点，建立基于热变形修正系数的定位热误差和直线度热误差模型；以五轴龙门机床QLM27100-5X的移动进给系统为研究对象，验证了两种模型的精度。
　　（4）提出基于最优阈值的温度变量分组方法，以分组得到的典型温度变量作为建模自变量，建立主轴热误差分片逆回归模型：以模糊聚类和相关性分析为基础，提出一种基于最优阈值的温度变量分组方法，解决热误差建模中温度变量分组过于依赖经验的问题；基于该方法获取最佳建模温度变量，提出分片逆回归热误差建模方法，解决了当前常见的热误差回归模型函数形式固定、做长期预测时精度不高的问题，提高了热误差模型的泛化性和外推能力；采用所提的方法，对卧式加工中心 MCH63进行温度变量分组，找出最佳温度变量用于主轴热误差分片逆回归建模，分析显示模型精度良好。
　　（5）以五轴联动机床QLM27100-5X和加工中心MCH63为实验平台，利用课题组自主开发的温度-误差检测系统及误差补偿系统，实时检测机床温度和热误差数据，并对移动轴单项定位几何误差、移动轴空间热误差及主轴轴向热误差三类模型进行了仿真验证及实验验证。

目录

声明

注释表

第一章 绪 论

1.1课题研究的背景与意义

1.2数控机床误差分类

1.3数控机床误差技术研究现状

1.4研究问题的提出

1.5研究方法及内容

第二章 基于增量矩阵的多轴数控机床准静态空间误差建模

2.1引言

2.2多轴数控机床运动轴误差分析

2.3基于增量矩阵的多轴数控机床准静态空间误差建模

2.4多轴数控机床误差灵敏度分析

2.5 本章小结

第三章 多轴数控机床进给轴误差辨识

3.1引言

3.2基于球杆仪的旋转轴误差分类辨识

3.3基于激光干涉仪改进九线法的移动轴误差辨识

3.4本章小结

第四章 多轴数控机床进给轴误差建模

4.1引言

4.2基于支持向量机的几何误差建模研究

4.3基于热变形修正系数的热误差建模研究

4.4本章小结

第五章 机床温度变量优化及主轴热误差分片逆回归建模

5.1引言

5.2基于最优阈值的温度变量优化方法研究

5.3热误差分片逆回归建模方法研究

5.4温度变量优化及主轴热误差建模实例

5.5本章小结

第六章 多轴数控机床误差实验系统开发与实验验证

6.1引言

6.2温度和误差检测系统开发

6.3误差补偿系统开发

6.4误差模型验证分析

6.5本章小结

第七章 总结与展望

7.1本文研究的主要成果

7.2本文研究的创新点

7.3后续研究工作的展望

参考文献

致谢

读博期间发表的学术论文及研究成果