五轴数控机床几何误差辨识及其误差建模技术研究

摘要

随着经济全球化，用户对产品的质量、稳定性、安全性、功能的多元化、结构精细化的需求也愈来愈强烈。尤其是在国内外市场竞争意识不断加强，消费者对特性化的产品追求也不断增长，这就要求制造商能够对这些需求产品进行多元化以及小批量的柔性生产。但是由于各种不同因素的影响，阻碍了机床加工精度的进一步提升。机床的精度已经成为了当前制造技术研究的基础内容之一。
　　 目前，提高机床加工性能有两个途径。第一种途径是误差预防法，就是尽最大可能降低误差来源，主要有在生产机床本体的时候，提高它的各个组件的精度、以及提升装配质量等方法。对于现在企业对机床精度日益增长的需求，往往表现出了更多的局限性。而且由于机床加工环境和加工的要求存在着很多不确定的影响因子，这就给控制机床的各种误差带了巨大的困难。因此，仅仅利用误差防止方法已经很难满足企业提高生产质量的需求。第二种途径是误差补偿法，即通过事先修正机床得到的加工代码或者利用先进的检测设备，在机床运行时，直接检测出实时的误差，然后直接反馈到主机中，进行实时补偿来提高机床的加工质量。这个方法不但可以明显提高数控机床加工的质量，而且该方法的成本比较低，已经在工业界以及学术界受到了高度的重视。
　　 本文的研究对象是五轴数控机床。在课题进行的初始阶段，对五轴机床的机构进行了分析，并且用UG软件设计出了五轴机床三种主要结构类型。根据所设计模型，在学院的加工中心上完成了五轴机床实验平台的制作，为后续研究打下了坚实的基础。
　　 根据多体系统理论，描述了两个相邻运动体之间的特征关系。详细列出了RLLLR型五轴数控机床的33项几何误差，利用四阶齐次矩阵方程描述了各个相邻体之间的坐标变换，最后根据机床成形函数推导出了RLLLR型五轴机床的误差模型。
　　 对比了几种常用的辨识方法，最后选用10线法对五轴数控机床三个移动轴的21项误差进行了辨识，推导了其数学公式。设计了测量五轴机床旋转轴几何误差的检测方案，同时也推出了辨识其12项几何误差的数学公式。
　　 基于UG软件针对一个曲面零件，在UG中设置好各项参数后，生成刀具加工轨迹，提取出数控加工代码。利用MATLAB GUI模块编制了能够根据读取的误差数据并且能够根据所读数据对所提取出来的数控加工代码进行修正，得到修正之后的代码程序。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 课题的背景

1．2 研究现状

1．2．1 误差建模研究现状

1．2．2 误差辨识研究现状

1．3 研究目的和意义

1．4 研究的内容和工作安排

1．5 本章小结

第二章 多体系统建模理论

2．1 多体系统描述方法

2．2 典型体描述方法

2．3 点和矢量的表示方法

2．4 理想运动转换矩阵

2．4．1 理想平移运动转换矩阵

2．4．2 理想旋转转换矩阵

2．4．3 理想合成运动转换矩阵

2．5 实际运动转换矩阵

2．5．1 相对平动产生的误差坐标转换矩阵

2．5．2 相对旋转误差坐标转换矩阵

2．5．3 综合运动引起的误差坐标转换矩阵

2．6 体间实际运动转换矩阵

2．7 本章小结

第三章 RLLLR型机床误差建模

3．1 数控机床误差分类

3．2 机床结构分类

3．3 RLLLR型五轴机床拓扑结构低序体序列

3．4 RLLLR型五轴机床几何误差及其表示

3．5 RLLLR型机床体间静止、运动转换矩阵

3．6 数控机床的成形函数

3．6．1 机床理想成形函数

3．6．2 机床实际成形函数

3．6．3 机床空间误差模型

3．7 本章小结

第四章 RLLLR型机床几何误差辨识

4．1 平动轴测量原理

4．2 平动轴误差测量辨识原理

4．2．1 定位误差辨识

4．2．2 颠摆和偏摆误差辨识

4．2．3 直线度误差辨识

4．2．4 滚动误差的辨识

4．3 回转轴误差测量辨识原理

4．4 本章小结

第五章 机床误差补偿研究

5．1 软件选择

5．1．1 UG简介

5．1．2 MATLAB简介

5．2 数控加工代码提取

5．3 后处理和创建车间文档

5．4 误差补偿实现

5．5 本章小结

第六章 结论与展望

6．1 总结

6．2 展望

参考文献

致谢