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高精度微小型车铣复合加工机床误差建模与补偿研究

邓勇军  
【摘要】:随着微小型零件在航空航天、核工业、国防、汽车以及医疗器械等行业的广泛应用,其精度及复杂性也越来越高,相应的对制造技术的要求也越来越高。精密微小型车铣复合加工技术由于其高速、精密、微切削力、加工范围广等特点,在复杂微小型零件制造领域有明显优势,但目前市场上缺少针对三维微小型复杂零件的高精度微小型车铣复合加工机床。国内外对常规车铣复合加工机床和五轴机床的空间几何误差建模及热误差研究都已趋于成熟,但是对微小型车铣复合加工机床这类特殊机床精度研究较少,不能满足日益增长的精密复杂微小型零件的加工需求。本文基于微小型车铣复合加工技术和宏微结合误差补偿技术,设计了一台高精度微小型车铣复合加工机床,用于满足复杂微小型零件的制造需求,并采用理论计算、有限元仿真和实验验证的方法对影响该机床精度的主要误差因素进行了研究。主要研究内容及结论如下:(1)针对三维复杂微小型零件的加工需求和设备需求,进行了高精度微小型车铣复合加工机床的总体设计工作。根据拓扑学理论和功能、精度等要求确定了机床的XYCTZB型结构。关键部件车削主轴使用液体静压主轴,铣削主轴选用高速高精度陶瓷球轴承电主轴;B轴转台选用高精度直驱转台;微动平台采用高精度二维压电陶瓷驱动平台,整个运动系统采用了宏微结合设计,以实现误差的二维补偿;隔震系统选用空气弹簧和大理石惰性块组合的方式,能够隔绝外界环境中的大部分振动;控制系统采用“PC+Turbo PMAC”的开放模式,以实现补偿控制。(2)针对影响高精度微小型车铣复合加工机床加工精度的空间几何误差,基于齐次坐标变换理论,对三种结构的车铣复合加工机床进行误差建模,推导出了综合误差模型,进一步验证了采用XYCTZB型结构的合理性。对误差模型进行了误差敏感度分析和关键几何误差源识别,确定了机床设计的关键误差元素,为整机研制后实现误差补偿和修正控制指令提供理论依据,并可为将来机床升级时提供理论参考。(3)对微小型车铣中的关键部件铣削电主轴的热误差进行了研究,以传热学和热变形相关理论为基础,采用有限元法对铣削电主轴的温度场和热变形进行了仿真研究。根据仿真分析结果,分别在空载和切削条件下,进行了主轴热误差检测实验,同时对切削条件下的切削热进行了检测。基于实验得到的数据,采用基于特征加权的朴素贝叶斯方法,对铣削电主轴热误差进行了建模及预测研究。采用信息增益的方法计算了不同特征的权重,分别建立了空载和切削条件下的轴径向热变形误差模型,具有较高的精度,从预测结果看,模型具有比较好的预测功能。(4)针对机加工中通常不进行运动直线度误差补偿,而其又影响高精度加工的问题,对二维宏微结合运动误差补偿方法进行了研究。首先提出了一种基于平面镜干涉法的运动直线度误差检测方法,通过不确定度分析表明,在小行程测量范围内,该方法优于常规基于渥拉斯顿棱镜干涉的方法。搭建了宏微结合实验平台,为了减小直线度误差源,宏动平台采用自行设计的可调导轨滑台,并进行了实验验证。采用宏微结合的策略,对滑台的定位精度和直线度进行了二维补偿实验。对微动台的空载和负载响应时间进行了测试,验证了在加工中的可用性,最终提出了热误差和运动误差综合补偿方案。


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