五轴数控机床空间误差测量、建模与补偿技术研究

摘要

五轴机床相比于三轴机床，它能加工各种复杂表面，具有更高的生产效率、更好的灵活性和更少的装夹时间。然而，两个旋转轴引入了更多的几何误差，譬如旋转轴轴线的位置误差和平行度误差等，导致了五轴机床有较大的空间误差。本研究旨在首先测量和辨识五轴机床平动轴和旋转轴的所有41项几何误差元素，然后对机床的空间误差建立数学模型，最后对机床的空间误差进行补偿，从而提高机床的整体精度。
　　本研究获得了国家自然科学基金、国家科技重大专项、国家重大科研仪器研制项目和国家留学基金委高水平项目等课题的资助；以加拿大英属哥伦比亚大学(UBC) Yusuf Altintas教授实验室的Quaser UX600双转台五轴数控机床为主要研究对象；以沈阳机床厂的一台双转台五轴数控机床为辅助研究对象；研究并提出了旋转轴的与位置无关几何误差(position-independent geometric error，PIGEs)和与位置有关几何误差(position-dependent geometric errors，PDGEs)的测量辨识方法，基于螺旋理论提出了五轴机床空间误差的建模和补偿策略，建立了五轴机床空间误差统一模型，基于虚拟CNC开发了五轴机床空间误差补偿仿真平台。
　　本文的主要研究内容有：
　　(1)研究了五轴机床旋转轴的误差测量方法，提出了基于球杆仪测量和辨识旋转轴误差的三种测量方法：单独辨识PIGEs、单独辨识PDGEs以及同时辨识PIGEs和PDGEs。在PIGEs的单独辨识中：一共有3种测量模式，前两种测量模式中始终保持平动轴静止，仅有两个旋转轴单独转动，第三种模式中设计了A轴和C轴一起转动而实现的圆轨迹。通过三种模式的测量得到8项PIGEs的解析解；在PDGEs的单独测量中：针对每一个旋转轴提出了5种测量模式，在这些模式中保持平动轴静止，仅有待测的旋转轴运动，从而排除了平动轴引入的误差；测量过程中，球杆仪始终保持对一个测量方向敏感，其作用可认为是单自由度的高精密位移传感器；基于测量结果，解耦得到两个旋转轴除滚转误差外的10项PDGEs。在同时辨识 PIGEs和PDGEs的测量中：给出了球杆仪切向、径向和轴向的测量模式和该模式下PIGEs和PDGEs同时辨识的解析解。试验结果证实了误差辨识的准确性。
　　(2)研究了五轴机床的空间误差，建立了基于螺旋理论的五轴机床空间误差模型和五轴机床的空间误差统一模型。螺旋理论可有效地对五轴机床正运动学和逆运动学进行建模。另外，通过引入误差旋量可有效地对各项误差元素进行建模；基于螺旋理论得到的空间误差模型与常规的通过齐次坐标变换得到的结果完全相同。在空间误差统一模型中，通过设计一种新的奇异函数，该统一模型可适用于4种常见类型的三轴加工中心和12种类型的五轴机床；与传统的统一模型相比，该模型更加具体且方便，用户只需向模型输入机床平动轴和旋转轴对应的类型序号，即可得到最终的空间误差模型，不需要任何人为操作。最后简略描述了机床误差元素的建模方法，针对定位误差和直线度误差等提出了新的建模方法。
　　(3)研究了五轴机床的空间误差的补偿方法，利用螺旋理论逆运动学计算提出了基于迭代法的五轴机床空间误差补偿策略，该补偿方法能够有效地对五轴机床空间误差进行补偿。研发了基于虚拟CNC的五轴空间误差补偿仿真平台。在选择对应机床结构的前提下，输入所有误差元素的拟合模型，即可预测机床在当前刀具路径在不同位置处的空间误差值，并同时计算补偿后的各轴的运动量，从而实现对空间误差的补偿仿真。该仿真平台基于螺旋理论进行开发，适用于任意结构的五轴机床，并有效地对五轴机床的空间误差进行预测和补偿。虚拟CNC的仿真结果也证实了该补偿策略的有效性。
　　(4)结合文中提出的测量方法、建模理论和补偿策略，在实际的五轴机床上进行了试验验证。本研究在多台机床上进行了空间误差补偿，主要试验在Quaser UX600双转台五轴机床上进行。试验结果表明，本研究方法能有效提高机床的空间位置精度。

目录

声明

主要符号说明

第一章 绪论

1.1 课题来源

1.2 课题研究意义

1.3 国内外研究现状

1.4有关研究目前存在的问题

1.5 主要研究内容及论文框架

第二章 五轴机床旋转轴误差的测量方法

2.1 引言

2.2 球杆仪的测量原理

2.3 五轴机床旋转轴PIGEs的测量方法

2.4 五轴机床旋转轴PDGEs的测量方法

2.5 同时辨识旋转轴PIGEs和PDGEs的方法

2.6 本章小结

第三章 五轴机床空间误差的建模理论

3.1 引言

3.2 关于误差矩阵放置的讨论

3.3 基于螺旋理论的五轴机床空间误差建模

3.4 五轴机床空间误差的统一模型

3.5 误差元素建模

3.6 本章小结

第四章 五轴机床空间误差的补偿策略

4.1 引言

4.2 基于螺旋理论的五轴机床空间误差补偿策略

4.3与其它补偿方法的比较

4.4五轴机床空间误差的补偿仿真平台

4.5 本章小结

第五章 五轴机床误差补偿实例研究

5.1 引言

5.2 五轴机床的空间误差补偿案例

5.3 本章小结

第六章 总结与展望

6.1 主要研究内容

6.2 主要创新点

6.3 思考与展望

参考文献

附录

攻读博士学位期间发表和录用论文、发明专利及参与科研项目

致谢