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五轴数控机床几何误差建模、检测及补偿

梁莹莹  
【摘要】:随着精密加工技术的广泛应用和数控机床技术的快速发展,现代机械制造业对机床加工精度的要求日益提高,而误差补偿技术是提高数控机床精度的经济且有效的手段之一,因此本文以五轴数控机床为研究对象,为实现对机床综合几何误差的补偿,从几何误差综合建模、误差元素测量和辨识、误差补偿方案设计及误差补偿验证四个方面展开了研究,具体工作及成果如下:1)以QLM27100-5X型五轴数控机床为对象,采用低序体阵列描述了机床拓扑结构,再基于多刚体运动学与齐次坐标变换理论,对机床各相邻体间的初始位置变换、运动变换以及其误差矩阵进行了分析,从而定义了各相邻体间的综合变换矩阵,最终由刀具与工件间的相对位姿建立了五轴数控机床几何误差的综合模型,为实现误差补偿提供了模型基础。2)为获取误差模型中的各几何误差参数值,分别使用激光干涉仪和球杆仪对移动轴和旋转轴进行了误差测量实验,并重点针对旋转轴误差测量过程中会耦合移动轴误差这一问题,提出了一种基于球杆仪两端测量球实际位置的误差解耦、辨识方法,经比较验证,解耦后辨识精度得到了有效提高。3)基于软件补偿误差法的思路,针对机床移动轴的三种典型运动(G00、G01、G02/G03)及A、C轴的旋转运动,分别提出了对应的误差补偿方案并建立了补偿模型,再通过迭代修改数控指令值实现补偿,并在此基础上探讨了移动轴与旋转轴共同运动时的误差解耦、补偿方案,最后基于MATLAB编程技术,开发了五轴数控机床几何误差补偿软件。4)以QLM27100-5X型五轴机床为实验平台,分别对移动轴的直线插补运动、圆弧插补运动、C轴旋转运动及A、Y、Z多轴联动进行了误差补偿实验。补偿后,移动轴的定位精度以及由球杆仪测得的圆轨迹的圆度误差精度均提高了30%~50%,验证了补偿方案的可行性及补偿模型的正确性。


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