基于RTCP的五轴混联机床动态精度影响因素的作用规律研究

摘要

随着并联机构的不断发展和完善，将并联机构的大负荷能力、高响应和灵活摆动的特点与串联机构的大工作空间、高精度的运动能力相结合，所研制的基于串并联机构的五轴混联加工设备是航空铝合金高速加工的可靠选择。本文以PRS-XY五轴混联机床为研究对象，对其动态精度进行研究。利用传统五轴数控机床的RTCP(Rotation tool center point)功能特点，通过设定混联机床刀尖点始终位于编程轨迹上，描述一种属于混联机床的RTCP检测轨迹。基于搭建的五轴联动模型，运行RTCP检测轨迹，仿真分析动态误差对刀具刀尖点运动误差的作用规律。具体研究内容如下： （1）分析了五轴混联机床的结构特点，构建机床正逆运动学的数学模型，然后利用数值解析方法验证了两个模型相互之间的正确性。介绍了高档五轴数控机床的RTCP工作原理，基于传统数控机床的RTCP检测方法，研究属于五轴混联机床的RTCP检测轨迹，并且所描述的轨迹具有使五轴混联机床的刀具刀尖点始终位于编程轨迹上的特点。 （2）介绍了五轴混联机床驱动轴的伺服控制系统组成，主要分别探讨了并联机构和串联轴XY工作台的控制系统；合理简化滚珠丝杠进给系统后搭建机械传动系统；通过对传统PID控制进行分析，建立机床伺服控制系统三环控制的单轴驱动控制模型。采用添加前馈的方式进行伺服控制系统模型的优化，然后建立动态误差与刀具刀尖点运动误差的关系。 （3）在Simulink环境下构建五轴混联机床的联动系统。为验证其正确性，在SimMechanics环境下搭建机床的物理系统；然后在同一期望轨迹下，仿真两种环境下的五轴联动系统的滑块实际输出位移一致，从而验证两种环境下的模型的正确性和有效性。 （4）基于建立的刀尖点运动误差模型，利用Simulink环境下建立的五轴联动模型运行RTCP检测轨迹，仿真分析混联机床的各驱动轴跟随误差对刀尖点位置误差的作用规律；通过提出一个动态误差传递指标表征机床各轴与刀尖点位置误差之间的传递关系；最后采用多维度显示方法得到各驱动轴跟随误差对应的刀尖点特征运动误差轨迹，有助于混联机床动态误差的溯源，为动态误差补偿提供引导性建议，从而达到机床加工精度提升的效果。

目录

声明

第一章 绪 论

1.1 课题研究背景及意义

1.2 混联机床的发展现状

1.3 并联机床误差来源分析的研究现状

1.3.1 几何误差的研究现状

1.3.2 热变形误差和弹性误差的研究现状

1.3.3 伺服控制精度研究现状

1.4 基于RTCP的五轴机床检测技术研究

1.5 本文内容安排

第二章 五轴混联机床运动学与RTCP轨迹的描述方法

2.1 五轴混联机床运动学分析

2.1.1 五轴混联机床的结构

2.1.2 五轴混联机床正逆解模型建立

2.1.3 位置正逆解算法验证

2.2 基于RTCP的五轴混联机床轨迹的描述方法

2.2.1 五轴机床RTCP功能介绍

2.2.2 并联机床RTCP轨迹的描述方法

2.2.3 RTCP检测轨迹介绍

2.3 本章小结

第三章 五轴混联机床伺服控制系统建模

3.1 机床交流伺服控制系统的组成

3.2 永磁同步电机数学模型

3.3 机械传动装置数学模型

3.3.1 机械传动装置结构

3.3.2 机械传动装置的数学模型

3.4 五轴混联机床伺服控制系统模型

3.4.1 并联轴伺服控制系统建模

3.4.2 串联轴伺服控制系统建模

3.4.3 单轴动态误差建模

3.4.4 伺服控制系统模型优化

3.5 混联机床五轴联动模型验证分析

3.6 本章小结

第四章 五轴混联机床刀尖点误差影响因素仿真分析

4.1 刀尖点运动误差仿真流程

4.2 基于RTCP检测轨迹机床联动性能仿真分析

4.2.1 由串联轴跟随误差引起的刀尖点误差规律

4.2.2 由并联轴跟随误差引起的刀尖点误差规律

4.2.3 动态误差传递特性研究

4.3 刀尖点特征误差轨迹研究

4.3.1 串联轴特征误差轨迹

4.3.2 并联轴特征误差轨迹

4.3.3 仿真结果分析

4.4 本章小结

第五章 总结与展望

5.1 本文研究总结

5.2 下一步工作展望

致谢

参考文献