数控机床工作精度检验中的运动控制指标作用机理研究

摘要

随着现代制造技术的快速发展，数控机床已经成为不可或缺的重要设备，而高速高精度五轴数控机床的应用已经成为提升制造业技术水平及高科技发展的重要标志。在复杂零件的高速精密加工中，五轴数控机床的运动性能成为影响工件质量的关键因素和机床等级评价的重要指标。通过切削试件轮廓误差的表现反映运动控制指标的作用度，以指导机床调整和工艺优化，保障五轴数控机床最终加工精度有着十分重要意义。
　　本文从数控机床的工作精度检验标准出发，对五轴数控机床加工过程中的轮廓误差形成机理，数控机床伺服特性和控制系统的控制特性对运动轨迹、运动性能和加工精度的影响进行了研究。采用一种基于前瞻算法的多轴运动的轴速度规划策略，建立了五轴联动数控机床运动控制参数影响试件切削速度、加速度以及加工精度的模型，揭示了试件在高速高精度加工中异常刀痕形成机理，探索了多轴联动高速加工数控机床工作性能评价新途径，为利用复杂形面试切结果评价数控机床的工作性能提供了理论依据。研究过程中主要开展了以下几个方面的工作并得到相关的研究成果。
　　（1）论文首先研究了五轴数控加工中的试件轮廓误差形成机理，分析了数控机床加工误差的主要来源，论述了五轴数控机床的轴跟随误差对试件轮廓误差形成的作用机理。针对五轴数控机床由于旋转轴的引入导致的刀尖运动轨迹的复杂变化，运用了多体运动理论以及齐次坐标变换理论，推导了五轴数控加工中的复杂形面的轴跟随误差与轮廓误差的映射关系。
　　（2）由于数控机床的伺服特性是影响单轴跟随误差的主要因素，本文根据数控机床的平动轴、旋转轴伺服驱动装置和机械传动机构的结构特点，建立了这两种形式的伺服机构动力学模型，研究数控机床伺服性能指标对各坐标轴误差的影响，特别是旋转轴伺服特性对轮廓误差的影响。针对工作精度检验中常见的圆弧轨迹的多轴联动运动情况，分别对平动轴与旋转轴联动、两个旋转轴联动两种联动方式进行了讨论，从伺服系统的刚度、增益、伺服时间常数、反向间隙等指标对轮廓误差的影响以及各轴参数之间匹配关系进行了系统的分析。
　　（3）研究了数控系统的控制方法、运动极限参数对坐标轴误差的影响。由于坐标轴跟随误差与轴运动速度相关，即受坐标轴指令值的直接影响，而坐标轴指令又受数控系统插补算法，加减速控制方式及运动极限参数，前瞻算法等多因素影响，使得伺服系统接收的各坐标轴指令与编程的G代码指令有较大不同，不能简单按照试件成形机理分解成各坐标轴指令，因此，本文采用了一种动态规划的进给速度规划策略来计算坐标轴指令，对高速高精度复杂形面加工中，微小段多，转折和拐点多等情况下的进给速度实施规划和轴指令值的求解，并分析了控制系统加速度、加加速度、最大速度等极限参数对轴进给速度和轨迹运动误差的影响，以及这些极限参数的作用权重，从而建立高速加工中数控机床的控制指标影响复杂曲面轮廓误差的理论体系。
　　（4）针对工作精度检验中常用的国际标准NAS试件和“S”形试件的试件切削检验中的运动轨迹误差进行了计算、仿真和实验设计，研究了数控机床实际运动性能的表现，以及运动控制指标对加工精度的影响。通过NAS试件的仿真切削研究，分析了试件加工精度所映射的多轴联动机床伺服性能指标和运动控制指标作用规律；以“S”形试件侧铣加工的过程为研究对象，从试件构造的曲面特性出发，分析了五轴数控加工的编程代码特点，对侧铣加工表面切削速度受数控机床的加速度、加加速度等运动控制参数影响的平稳性进行了分析，通过伺服进给系统模型获得跟随误差，并对侧铣加工的异常刀痕的形成进行了演绎。通过仿真和实验，得到“S”形试件侧铣加工异常刀痕的机床运动控制指标作用规律，为数控机床工作精度检验中试件构造设计和利用试件切削误差来检验机床运动性能提供参考依据。
　　本课题来源于国家04重大科技专项“国产高档数控机床在典型飞机结构件加工中的示范应用”，项目编号2010ZX04015-011，课题研究成果部分用于校验机床的运动性能，指导机床维修和调整，优化加工方案；同时为制定五轴数控加工动态精度测试规范，为高速高精度五轴联动数控机床的研制和工作性能分析提供理论依据。

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第一章 绪论

1.1课题的背景及其研究意义

1.2五轴数控机床的精度影响因素研究进展

1.3五轴数控机床精度检验中的影响因素作用机理

1.4主要研究内容及创新点

第二章 五轴数控机床加工轮廓误差形成机理

2.1五轴联动数控机床的成形运动

2.2数控机床的运动指令模型

2.3复杂曲线轮廓误差表达方法

2.4五轴联动轴跟随误差与轮廓误差成形机理分析

2.5本章小结

第三章 五轴数控机床伺服特性对轮廓误差形成的影响分析

3.1五轴数控机床伺服系统的数学模型

3.2多轴联动跟随误差与轮廓误差形成机理

3.3轨迹轮廓误差对系统运动控制指标的反映

3.4本章小结

第四章 复杂曲面加工中运动控制指标对轴跟随误差的影响

4.1控制系统控制算法对数控机床运动性能影响

4.2复杂曲面的刀路规划和插补运动方式

4.3加减速度控制方式

4.4进给速度的规划

4.5运动极限参数对进给速度影响分析

4.6本章小结

第五章 基于NAS试件的机床运动控制指标作用规律研究

5.1 NAS试件结构特征

5.2 NAS试件一试切的机床运动控制指标作用分析

5.3 NAS试件二试切的机床运动控制指标作用分析

5.4基于标准试件形貌特征的机床运动控制指标作用度辨识

5.5本章小结

第六章 基于“S”试件异常刀痕的运动控制指标作用机理研究

6.1“S”试件形面特性

6.2“S”试件加工数控代码特征分析

6.3基于“S”试件的机床运动控制指标作用度分析

6.4运动控制指标作用下的轮廓误差

6.5基于“S”试件的切削实验和检验

6.6本章小结

第七章 结论与展望

致谢

参考文献

攻读博士学位期间的研究成果