五轴机床运动学通用建模理论研究及应用

摘要

针对复杂异型零件的加工，五轴联动数控加工技术凭借其高效、高精的特点得到了广泛应用和推广。国内外高校和企业对五轴联动数控加工技术及其载体——五轴机床进行了深入的研究和开发，形成了较为完善的技术和工业体系。但是实际存在的五轴机床结构多样，同时考虑到五轴机床的运动学建模是对其开展其他研究的重要基础工作之一，因此本文针对五轴机床运动学通用模型的建立及其应用展开研究。
　　 目前针对具体结构五轴机床的运动学建模方法具有一定的通用性，但并未建立起五轴机床运动学通用模型。本文选择工件为参考体，基于多体系统对五轴机床的结构进行描述，利用参数组合统一确定相邻两体的齐次坐标变换矩阵，建立了五轴机床运动学通用模型。
　　 现有后置转角求解方法的局限使得C转工作台求解范围不能扩展到无限角度，制约了机床性能的发挥。本文在利用运动学通用模型推导五轴机床运动学通用方程的基础上，针对四类含C转工作台正交结构的五轴机床，通过定义“最小运动圆周”改进了五轴机床转角的计算方法，对后置转角求解区域进行了扩展，并给出了具体的求解流程。该求解算法可以有效提高C转工作台的转动连续性，避免干涉。本文利用VC6.0开发了集成新的方法的专用后置处理程序。
　　 工作空间是机器入学中用于评价机器人性能的指标之一，本文将其应用到五轴机床中:刀具位置和姿态的集合。给出了蒙特卡洛法进行机床工作空间分析的流程。利用运动学通用模型推导了两种五轴机床的运动学等式，利用MATLAB仿真得到了反映两种机床工作空间的“云图”。并分析了影响五轴机床工作空间形状和位置的因素。
　　 在定性分析了联动加工超程原因的基础上，本文使用机床运动学通用模型给出了联动加工超程判断与计算的方法。验证了每行数控代码对应的刀具位置和姿态均在机床的工作空间不是加工可以进行的充分必要条件的论断。
　　 实际加工过程中存在着各种类型的误差，其中机床的几何误差是重要的组成部分。本文在运动学通用模型的基础上，考虑机床的几何误差，建立了五轴机床几何误差模型。采用软件补偿的方式对机床几何误差进行补偿。进行的对比加工试验和测量结果在一定程度上验证了机床几何误差模型的正确性。
　　 根据本文提出的五轴机床运动学通用模型可以程式化地建立任意结构五轴机床的运动学模型。通过将该通用模型应用到机床后置转角求解、工作空间分析、联动加工超程分析及几何误差建模中，解决了制造加工过程中实际存在的一些问题。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 研究背景及意义

1．2 国内外研究现状

1．2．1 五轴机床运动学建模的研究

1．2．2 五轴机床后置处理及转角求解的研究

1．2．3 五轴机床工作空间的研究

1．3 本文研究的主要内容

第2章 基于多体系统的五轴机床运动学通用建模

2．1 基于工件坐标系的五轴机床分类

2．2 多体系统描述的基本方法

2．2．1 多体系统拓扑结构及其低序体阵列描述

2．2．2 多体系统的坐标系、点和矢量的表示

2．3 相对于矢量运动的坐标变换

2．3．1 相对于坐标轴矢量运动的坐标变换

2．3．2 相对于任意矢量运动的坐标变换

2．4 五轴机床运动学通用建模

2．4．1 相邻体的任意坐标变换

2．4．2 五轴机床运动学通用模型

2．5 本章小结

第3章 基于运动学通用模型的五轴机床后置处理运动学通用方程及求解

3．1 五轴机床后置处理运动学通用方程

3．1．1 刀具双摆动类型五轴机床运动学通用方程

3．1．2 工作台双回转类型五轴机床运动学通用方程

3．1．3 刀具摆动与工作台回转类型五轴机床运动学通用方程

3．2 无限旋转C转工作台结构的五轴机床后置转角求解

3．2．1 C′-A’结构机床的A角计算方法

3．2．2 C’-A′结构机床的C角计算方法

3．2．3 C’-A’结构机床的后置转角求解流程

3．3 后置转角求解方法的实现及验证

3．4 本章小结

第4章 基于运动学通用模型的五轴机床工作空间分析

4．1 基于工件坐标系的五轴机床工作空间描述

4．2 五轴机床工作空间分析流程与仿真

4．2．1 基于蒙特卡洛法的五轴机床工作空间分析流程

4．2．2 五轴机床工作空间仿真

4．2．3 关于五轴机床工作空间形状和位置的讨论

4．3 本章小结

第5章 基于运动学通用模型的五轴机床联动加工超程分析

5．1 联动加工超程现象

5．2 联动加工超程原因

5．3 联动加工超程计算与判断

5．4 联动加工超程的避免

5．5 本章小结

第6章 基于运动学通用模型的五轴机床几何误差建模与补偿

6．1 五轴机床几何误差建模

6．1．1 相邻体的实际任意坐标变换

6．1．2 五轴机床几何误差模型

6．1．3 五轴机床几何误差建模实例

6．2 几何误差补偿及验证

6．2．1 几何误差软件补偿

6．2．2 补偿试验及结果

6．3 本章小结

结论与展望

致谢

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文及参加科研情况