接触式R-test优化设计及旋转轴结构误差测量技术研究

摘要

五轴机床旋转轴的几何误差包括结构误差和运动误差，其中结构误差对机床加工精度的影响显著，但对其测量方法的研究较少。为此，本文研究了球面探头接触式R-test的结构优化、在机标定、球心坐标求解和旋转轴结构误差辨识的方法，并进行了样机的开发和应用验证，进一步扩展了R-test测量仪的相关测量和应用技术，实现了五轴机床旋转轴结构误差的便捷测量。主要的研究工作如下：　　首先，提出了斜面探头和球面探头两种接触式R-test结构设计方案，通过分析比较两者的测量原理和精度，选取了球面探头接触式R-test方案，并以测量稳定性最大化和测量空间最大化为优化目标研究了球面探头接触式R-test的结构参数优化方法；　　其次，研究了球面探头接触式R-test测量仪的测量坐标系和传感器位置的在机标定方法，并建立了传感器位置标定模型；根据标定的传感器位置，建立了测量坐标系下的测量球球心坐标求解模型。传感器位置标定模型和球心坐标求解模型均利用自适应差分进化算法(SaDE)进行优化求解；　　然后，将球心坐标转换为理想测量坐标系下的位移误差数据，并根据一组位移误差数据，分别利用最小二乘圆拟合法和直线拟合法辨识得到旋转轴的结构误差。在此基础上，还进一步探讨了旋转轴动态几何误差的辨识方法；　　最后，开发了一台球面探头接触式R-test测量仪原型和配套的旋转轴结构误差测量软件，并在DMU100monoBLOCK?五轴机床上验证了R-test测量仪的测量球球心坐标求解精度和结构误差辨识效果。　　实验结果表明：球面探头接触式R-test测量仪具有较高的测量球球心坐标求解精度和良好的结构误差辨识效果，能够为工业测量提供有效参考，有助于提高五轴机床的加工精度。

目录

声明

主要符号表

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 R-test 测量仪及旋转轴结构误差定义

1.2.2 旋转轴结构误差的常见测量方法

1.2.3 旋转轴结构误差的辨识方法

1.3 主要研究内容

第2章 接触式R-test 的结构优化设计

2.1 引言

2.2 接触式 R-test的结构分析

2.2.1 接触式位移传感器探头结构

2.2.2 采用斜面探头的 R-test 结构分析

2.2.3 采用球面探头的 R-test 结构分析

2.2.4 两种探头的 R-test 结构比较

2.3 接触式 R-test的结构参数优化

2.3.1 测量稳定性最大化

2.3.2 测量空间最大化

2.4 本章小结

第3章 接触式R-test 的在机标定与球心坐标求解

3.1 引言

3.2 接触式 R-test的在机标定

3.2.1 在机标定目的及流程

3.2.2 测量坐标系标定

3.2.3 传感器位置标定

3.2.4 差分进化算法求解原理

3.3 接触式 R-test的球心坐标求解

3.4 本章小结

第4章 五轴机床旋转轴结构误差辨识

4.1 引言

4.2 常见的五轴机床类型

4.3 位移误差数据分析与处理

4.3.1 安装时的测量坐标系调整

4.3.2 测量时的测量坐标系变换

4.4 工作台旋转轴结构误差辨识

4.4.1 位置误差辨识

4.4.2 垂直度误差辨识

4.5 刀具旋转轴结构误差辨识

4.5.2 垂直度误差辨识

4.6 旋转轴动态几何误差辨识

4.7 本章小结

第5章 接触式R-test 的开发与应用验证

5.1 引言

5.2 接触式 R-test的开发

5.2.1 硬件开发

5.2.2 软件开发

5.3 应用验证

5.3.1 在机标定

5.3.2 球心坐标求解精度验证

5.3.3 结构误差辨识及验证

5.4 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论文及参与项目