五轴数控机床误差综合建模与测量技术

摘要

随着现代制造业的不断发展，精密和超精密加工技术扮演着越来越重要的角色。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，在国家科技重大专项“高档数控机床与基础制造装备”的支持下，本课题致力于研究五轴数控机床误差综合建模、几何误差的分步对角线快速测量、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）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）通过对五轴数控机床的结构和相互运动关系分析，建立双转台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双转台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。五轴机床结构复杂，待检测的几何误差元素比较多，直接测量法虽然精度高，但是效率比较低。为此，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四条体对角线方向误差，再结合相应的几何误差辨识技术，可以快速得到机床的9项位置误差和3项垂直度误差。
　　（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。并基于偏相关分析原理，找到了影响主轴热误差的敏感热源，大大减少了温度测点数量，实现了热误差温度布点的优化。
　　（5）建立五轴数控机床的误差元素模型，误差元素建模的理论基础是多元回归分析。对于几何误差，采用多项式回归建模，并提出了一种几何误差多项式模型的阶数选择方法，该方法建立的多项式模型能够很好的反应数据的变化规律，具有很高的精确性和鲁棒性。对于热误差采用多元线性回归建模，并基于偏相关分析原理进行了热误差建模优化研究，有效地避免了热误差模型中变量耦合现象的出现，提高了建模效率、精度和鲁棒性。

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第一章 绪论

1.1 课题背景

1.2 课题研究意义

1.3 国内外数控机床误差建模及测量技术的研究现状

1.4 数控机床误差建模及测量的关键技术

1.5 目前存在问题

1.6 本文主要内容

第二章 五轴数控机床误差元素及误差运动学分析

2.1 门式五轴加工中心简介

2.2 五轴数控机床的结构与运动关系分析

2.3 五轴数控机床的误差元素

2.4 机床运动副误差运动学分析

2.5 本章小结

第三章 五轴数控机床误差综合建模

3.1 五轴数控机床运动链分析

3.2 五轴数控机床误差综合建模

3.3 误差综合模型的验证

3.4 本章小结

第四章 五轴数控机床误差测量技术

4.1 几何误差测量

4.2 体对角线测量

4.3 分步对角线测量法

4.4 热误差测量

4.5 本章小结

第五章 数控机床误差元素建模与分析

5.1 多元回归分析

5.2 几何误差元素建模

5.3 热误差元素建模

5.4 本章小结

第六章 总结与展望

6.1 全文总结

6.2 主要创新点

6.3 展望和思考

参考文献

致谢

攻读硕士学位期间已发表的论文