五轴数控加工刀具与工件误差源建模及控制策略研究

摘要

五轴数控加工技术已经成为先进制造技术和智能装备领域最核心的技术之一，本文沿着高精高速这一数控技术发展的主线，对五轴加工误差的控制策略进行了研究。在对五轴加工误差来源及其分类分析的基础上，归纳出误差控制方法的发展及不足，明确了在数控系统端对加工误差进行控制的研究方向与内容。
　　五轴空间刀具动态补偿是影响来源于刀具误差控制的关键技术，本文对五轴加工过程中的刀具磨损进行建模分析，提出了一种基于开放式数控系统的高效刀具管理技术的刀具磨损动态补偿策略，给出了刀具误差的动态计算、预测、补偿策略。仿真表明，刀具动态补偿技术能够大大减小五轴加工时由刀具磨损引起的误差。
　　将空间刀补与五轴NURBS加工技术有机结合是提高五轴加工精度和速度的难点。本文对五轴加工中的空间刀具补偿技术进行了研究，提出了适用于五轴加工的三重NURBS曲线轨迹模型，通过该模型能够较为完整的描述出刀具位姿和切触点位置，从而能有效的实现五轴空间刀具补偿。试验表明，该方法能够有效解决五轴NURBS加工中的空间刀补问题。
　　基于在机检测的工件模型调整是更通用、直接的工件源误差控制策略。本文在在机检测技术基础上提出了一种工件模型重构调整的误差控制方法，通过对在机检测点的优化选取、重构点的计算以及工件表面的离线重新拟合实现了工件误差的控制，试验表明，该方法在加工刚性较好的工件时对工件误差的控制有明显的效果。
　　误差的在机检测及实时控制是高精高效加工的难点，而轨迹规划则是解决这一问题的关键入手点，本文针对五轴数控加工误差的实时控制提出了一种完整的轨迹规划策略，通过增加轨迹重规划模块克服了宏程序实时补偿不能执行前瞻规划的缺点，给出了完整轨迹规划模块的工作流程。
　　五轴加工中精度与速度是一个传统矛盾点，本文在完整轨迹规划的阶段对加工速度规划方法进行进一步优化，并提出一种能够根据路径类型选择加减速策略的智能S型加减速控制方法，使五轴加工更加平滑，仿真验证表明，使用该智能S型加减速以及变插补周期精插补技术，能够在保证原有的加工精度前提下提高加工速度。
　　对本文所提出的五轴数控加工误差控制策略进行实际验证，在通用五轴数控系统软硬件架构基础上，提出两种平台方案，研制出一种五轴数控系统样机，并通过试验验证基于本文误差控制策略的五轴数控系统能够显著提高五轴加工的精度和加工速度。

目录

声明

字母注释表

第一章 绪论

1.1 课题研究背景与意义

1.2 加工误差的来源分析及分类

1.3 误差控制方法的现状与发展

1.4 主要研究内容

第二章 五轴空间刀具误差动态补偿技术与实现

2.1 五轴机床误差传递模型

2.2 刀具管理技术

2.3 五轴加工过程中刀具磨损的预测

2.4 刀具误差动态补偿技术

2.5 本章小结

第三章 基于五轴NURBS加工的空间刀补策略研究

3.1 五轴空间刀具补偿

3.2 三重NURBS数学模型

3.3 空间刀具补偿的描述

3.4 刀具调整后的空间补偿

3.5 试验验证

3.6 本章小结

第四章 基于工件误差在机检测的路径重规划方法

4.1 基于工件误差的在机检测技术

4.2 基于在机检测的工件模型调整误差控制方法

4.3 试验验证

4.4 本章小结

第五章 完整五轴高精高速轨迹规划策略

5.1 五轴机床的完整轨迹规划模块

5.2 基于完整轨迹规划的五轴速度规划

5.3 五轴数控系统的高速加工控制

5.4 本章小结

第六章 基于误差控制策略的数控系统的架构与实现

6.1 基于误差控制策略的数控系统的架构设计

6.2 基于误差控制策略的数控系统的功能模块设计

6.3 基于误差控制策略的数控系统的实现方案

6.4 基于误差控制策略的五轴数控系统加工验证

6.5 本章小结

第七章 研究总结与展望

7.1 研究总结

7.2 研究展望

参考文献

发表论文和参加科研情况说明

致谢