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数控机床旋转轴的误差检测和辨识

蔡晓华  
【摘要】:随着制造技术不断进步,对具有复杂几何形状和高精度的机械零件的需求急剧增加,愈来愈多的五轴机床被广泛地用于模具制造、航空部件制造等领域。常见的五轴机床具有3个直线运动轴和2个旋转运动轴,相比于传统的三轴机床,能够在2个旋转方向上提供进给。五轴机床的拓扑结构更加复杂,机床的误差元素众多且相互关联,这给误差项的检测和辨识工作带来了困难,直接影响着误差补偿和机床维护。本文从以下方面对五轴机床的旋转轴进行误差检测和辨识研究。 首先,介绍常见的五轴机床拓扑结构,用标准的齐次坐标变换法对常见的五轴机床进行了运动学建模,将机床的拓扑结构分为“床身——工件”和“床身——刀具”两条运动链。然后,将机床运动部件的误差元素归为两类:装配误差(常量)和误差运动(随位置变化)。对直线运动部件和旋转运动部件的两类误差元素分别进行了数学建模。最后,以某双转台式五轴加工中心为例,建立了通用的综合误差模型,可用来描述机床误差元素与“刀具——工件”空间精度的相互关系。 其次,采用基于球杆仪的圆运动检测方法,对单轴旋转台、双转台分别进行误差检测和辨识的研究工作。采用齐次坐标变换法建立描述“刀具——工件”空间位置的综合误差模型。针对单轴旋转台,设计两种球杆仪安装姿态和对应的运动方式,提出单个旋转轴的4项装配误差的辨识算法;针对双转台,设计6种球杆仪安装和测量姿态以及对应的机床联动方式,提出双转台8项装配误差的辨识算法,即“径向——切向——轴向”,然后进行了误差辨识算法的推导,运用MATLAB软件对这一辨识算法进行模拟仿真,发现能够比较准确地分离出预先设定的误差项。 然后,研究了通过切削一个方台来辨识双转台的8项误差。设计和分析了11个简单的铣削刀轨,铣削一个铝合金方台,每一种切削轨迹都采用立式端铣刀在单个直线轴方向铣削。通过研究加工出来的方台的几何精度与双转台8项装配误差的数学关系,得出了基于方台切削实验的双转台误差的辨识算法。 最后,对五轴机床联动加工倾斜安装的圆锥台的切削实验进行了技术研究。采用矢量建模的方法研究了五轴联动加工圆锥台时的各轴坐标关系。对双转台机床的旋转轴的12个复杂的误差运动项进行数学建模,采用蒙特卡罗的方法和综合误差模型进行了仿真,分析了各个误差项对圆锥台侧面的圆度的影响程度,研究了用球杆仪作为工具模拟五轴联动加工斜置圆锥台实验,分析了球杆仪的灵敏度与圆锥台参数的关系。


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