进给伺服系统参数对“S”形检验试件轮廓误差影响的研究

摘要

“S”形检验试件是由成都飞机工业集团提出的一种用于检测五轴数控机床动态性能的试件。该试件具备开闭角转换特性，并融入了薄壁特征，可以考察机床的曲面加工性能。它包含了快速变化的曲面轮廓，并采用了实际切削的方式对五轴数控机床进行检测。“S”形检验试件主要应用于高速加工中心加工航空结构件性能的检测中，并且已经在航空制造业中得到了一定的推广。本文以“S”形检验试件的切削过程为研究对象，根据进给伺服系统参数建模理论和空间轮廓误差理论，对不同进给伺服系统参数所引起的“S”形检验试件上的空间轮廓误差进行了研究。主要内容为：
　　1．分析了进给伺服系统的控制原理，针对转动轴与平动轴不同的机械传动机构，搭建了多轴数控机床进给伺服系统的数学模型。根据五轴数控机床运动学理论，研究了空间轮廓误差的数学模型。
　　2．基于Simulink软件建立了五轴数控机床进给伺服系统的仿真模型，利用仿真模型分析了机床进给的动态性能，特别针对五轴数控机床的薄弱环节，即转动轴的联动加工进行了仿真研究，分析了转动轴联动加工典型圆轨迹的轮廓误差分布规律。
　　3．以加工“S”形检验试件的后置指令为基础，分析了各运动轴的运动约束，利用时间反演法，对实际加工“S”形检验试件时的进给速度进行了预测，并得到了各运动轴的实际插补指令。
　　4．分析了不同参数对于“S”形检验试件动态跟随误差的影响，提取了轮廓误差的主要影响因素，研究了由主要影响因素引起的“S”形检验试件空间轮廓误差的不同表现形式，并进行了实际切削验证。结果表明，仿真结果较为准确，有效揭示了进给伺服参数对“S”形检验试件轮廓误差的影响规律，为数控机床的加工性能检测与进一步的误差溯源提供了指导。

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第一章 绪论

1.1 本课题研究的背景及意义

1.2 国内外研究现状介绍

1.2.1 空间轮廓误差分析与建模的国内外研究现状

1.2.2 数控机床动态性能检测技术的国内外研究现状

1.3 本文的主要研究内容

第二章 数控机床加工的空间轮廓误差的数学模型

2.1 单轴动态跟随误差的数学模型

2.1.1 进给伺服系统的控制原理

2.1.2 机械传动机构的数学模型

2.1.3 单轴动态跟随误差的数学模型

2.2 五轴数控机床运动学建模理论

2.2.1 D-H（Denavit-Hartenberg）法

2.2.2 五轴数控机床运动学模型

2.3 数控机床加工的空间轮廓误差的数学模型

2.3.1 刀尖位置误差的数学模型

2.3.2 空间姿态误差的数学模型

第三章 进给伺服系统仿真模型的建立与特性分析

3.1 进给伺服系统仿真模型的建立

3.1.1 利用SIMULINK建立进给伺服系统仿真模型

3.1.2 各参数对仿真模型的动态特性影响分析

3.2 转动轴联动加工圆弧轨迹仿真研究

3.2.1 转动轴与平动轴联动加工圆弧轨迹仿真研究

3.2.2 两转动轴联动加工圆弧轨迹的仿真研究

第四章 “S”形检验试件切削进给速度分析与研究

4.1 数控机床加工中各运动轴的运动约束

4.1.1 数控加工代码对各运动轴的约束

4.1.2 各运动轴自身的性能约束

4.1.3 NC系统的参数约束

4.2 “S”形检验试件切削进给速度的分析方法研究

4.2.1 时间反演法

4.2.2 切削进给速度预测模型

4.2.3 “S”形检验试件切削进给速度预测

第五章 “S”形检验试件轮廓误差仿真与实验验证

5.1 五轴联动加工“S”形检验试件仿真研究

5.1.1 运动轴的动态跟随误差仿真分析

5.1.2 “S”形检验试件切削型面构建

5.1.3 基于MATLAB的切削型面仿真平台

5.1.4 主要参数对“S”形检验试件轮廓误差的影响

5.2 “S”形检验试件的试切验证

5.2.1 试切实验设计

5.2.2 实验结果分析

第六章 结论和展望

6.1 本论文研究总结

6.2 前景展望

致谢

参考文献

攻硕期间取得的研究成果