多功能复合机床误差测量与建模技术

摘要

在“中国制造2025”重大战略部署下，我国的制造业技术突飞猛进。高速化、高精密、功能复合化等特点已成为机床的发展趋势，加工精度得不到保证的普通数控机床已不能满足制造业的需求。为了进一步提高机床的加工精度，必须对影响机床加工精度的主要因素进行分析，解决这一问题是适应制造业发展要求的当务之急。本课题以多功能复合机床为研究对象，对机床的X、Y、Z轴和主轴产生的误差进行测量与建模分析。论文主要内容及成果如下：　　（1）分析了复合机床各运动副和主轴的几何误差和热误差，并梳理了复合机床综合误差元素；通过齐次坐标变换技术，推导了复合机床移动副和转动副的几何误差变换矩阵，为下一步综合误差的建模奠定了基础；　　（2）建立复合机床的综合误差模型。从机床拓扑结构中分析各运动副以及传动链的运动关系，在理想状态和实际运动状态下，基于机床刀具刀尖点与工件待加工点重合原理建立综合误差模型，并推导出综合误差在x、y、z方向的误差分量模型；　　（3）机床移动轴误差测量与建模。结合九线法误差分离原理与激光干涉仪对机床X、Y、Z轴的几何误差元素进行测量并记录误差数据，采用多项式拟合原理对机床X、Y、Z轴的几何误差元素进行建模分析，并推导机床综合几何误差在x、y、z方向的移动误差分量和转角误差分量数学表达式。结果表明：当多项式阶数m=3时，建模后的X、Y、Z轴的定位误差精度提高了70%以上，角度误差精度提高了75%以上，证明了该模型的有效性；　　（4）对机床主轴热误差测量与建模。通过温度传感器对机床主轴温度进行测量，采用改进的模糊C均值聚类算法对温度测点优化选择，以多元线性回归对选择出的温度关键点建立热误差模型。结果表明：多元线性回归建模后，主轴y、z方向残差值都在5.4μm范围以内。

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附表索引

第1章 绪 论

1.1本文研究背景及意义

1.2机床误差补偿技术分析

1.3国内外研究现状

1.3.1误差建模研究现状

1.3.2误差测量技术研究现状

1.4目前存在的问题

1.5本文的主要研究内容

第2章 复合机床运动副误差分析

2.1引言

2.2复合机床结构分析

2.3复合机床各运动副误差分析

2.3.1移动副的几何误差与热误差的分析

2.3.2转动副的几何误差与热误差的分析

2.3.3主轴的几何误差与热误差的分析

2.3.4垂直度误差分析

2.3.5复合机床综合误差元素

2.4基于齐次坐标变换的机床运动副误差分析

2.4.1空间齐次坐标变换理论分析

2.4.2移动副几何误差齐次变换分析

2.4.3转动副几何误差齐次变换分析

2.5本章小结

第3章 复合机床误差综合建模

3.1引言

3.2复合机床运动关系分析

3.3复合机床误差综合建模步骤

3.3.1参考坐标系设定

3.3.2理想状态下机床各传动链之间的齐次变换

3.3.3实际状态下机床各传动链之间的齐次变换

3.4误差综合模型的建立

3.5本章小结

第4章 机床移动轴误差测量与建模分析

4.1引言

4.2复合机床移动轴几何误差测量原理

4.2.1九线法误差分离原理

4.2.2 Y轴误差分离

4.3激光干涉仪使用原理与测量分析

4.3.1移动轴定位误差的测量与分析

4.3.2移动轴角度误差测量与分析

4.3.3移动轴直线度误差测量与分析

4.4几何误差建模技术

4.4.1多元回归分析

4.4.2多元线性回归模型理论

4.5几何误差元素建模

4.5.1多项式拟合法原理

4.5.2多项式拟合法存在的问题

4.5.3模型的建立与分析

4.5.4误差综合模型的验证

4.6本章小结

第5章 复合机床主轴热误差测量与建模分析

5.1引言

5.2改进的模糊C均值聚类算法对温度测点的选择

5.2.1机床温度测量

5.2.2温度关键点的选择流程

5.2.3传统的模糊C均值聚类算法

5.2.4改进的模糊C均值聚类算法

5.3机床热误差建模技术

5.3.1热误差测量数据

5.3.2多元线性回归对热误差建模

5.4本章小结

总结与展望

总结

展望

参考文献

致谢

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