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多轴数控机床精度建模与误差补偿方法研究

粟时平  
【摘要】: 加工精度是机床最重要的性能指标之一。本课题运用多体系统运动学为核心的精度分析理论体系,对多轴数控机床精度问题进行了系统、全面的分析,并重点在数控机床误差分析、精度建模、误差检定、加工精度预测以及软件误差补偿等领域开展了深入研究,通过机床精度模型,揭示了误差从机床零部件传递到被加工零件的规律,给出了精度预测,并对机床进行了软件误差补偿以提高加工精度。 多体系统理论在充分利用计算机发展成果的今天,焕发出了新的魅力,在研究多体系统的运动学与动力学问题上显示了很好的通用性、系统性和方便性。多体系统运动学理论应用于有误差运动的精度研究,是其应用领域的新拓展,虽然受到重视是近几年的事,但已显示出强大的生命力。本文对多体系统运动学以及基于该理论的机床精度建模、误差辨识、精度预测及误差补偿的方法作了系统、深入的探讨。 多体系统理论的精髓是用拓扑结构对多体系统进行高度概括和提炼,用低序体阵列描述多体系统拓扑结构,用特征矩阵表示多体系统中体间的相对位冒和姿态。本文对多体系统理论的这部分内容进行了详细阐述。它是机床运动学分析和建模的基石,本文依此建立起了多轴机床的通用精度模型,还以三轴、五轴机床为例给出了理想运动模型、有误差运动模型和空间误差模型等的具体表达式。 在建立起机床精度模型之后,开始进行机床误差参数检定。机床误差参数很多,影响加工精度的主要误差参数就有几何误差、热误差、力变形误差等。在系统介绍了已有的误差检定策略之后,为了充分利用激光干涉测量仪检定多轴机床的三个平动轴系统的21项几何误差,本文详细分析了9线辨识法,提出并深入探讨了新的12线辨识法,为了检定回转轴的6项基本误差,详细阐述了基于径向、轴向及回转误差的误差辨识机理,从而很好地解决了多体系统理论应用中的机床误差检定问题。 误差建模和误差检定完成之后,随即进行机床加工精度预测以及误差补偿。本文提出了轮廓加工误差的指标体系,阐述了位置误差至轮廓误差的映射关系,建立起了机床部件误差至加工误差的映射模型,从而可以实现准确的加工精度预测。 软件误差补偿的关键是获取补偿误差所需的数控指令,本文阐述了直接计算法和叠加附加指令法,并着重以三轴机床和五轴机床为例,深入研究了基于直接计算法修正理论数控指令的软件误差补偿。 本文在理论研究的基础上进行了仿真和实验研究,包括机床平动系统误差12线法和9线法检定实验,回转轴6项基本几何误差辨识实验,虚拟加工的加工精度预测仿真,虚拟机床加工软件误差补偿仿真,以及实体机床软件误差补偿实验。


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