基于直紋曲面試件的五軸機(jī)床精度檢驗(yàn)方法研究.pdf

1、五軸數(shù)控機(jī)床具有優(yōu)異的空間可達(dá)性，加工時(shí)無(wú)需特殊夾具和刀具就能完成空間曲面的加工，在航空航天、船舶及高精密儀器等高端制造行業(yè)中得到廣泛應(yīng)用。五軸數(shù)控機(jī)床作為高端制造裝備的象征已經(jīng)成為了一個(gè)國(guó)家工業(yè)發(fā)展水平的重要標(biāo)志。精度是數(shù)控機(jī)床最為重要的性能指標(biāo)，傳統(tǒng)的定位精度等幾何精度用于評(píng)價(jià)數(shù)控機(jī)床靜態(tài)精度，而可直接反映加工精度的數(shù)控機(jī)床動(dòng)態(tài)精度尚無(wú)權(quán)威的評(píng)價(jià)指標(biāo)。隨著空間曲面五軸聯(lián)動(dòng)加工的出現(xiàn)和加工效率提升的迫切需求，由機(jī)床動(dòng)態(tài)特性引發(fā)的誤差在

2、總誤差中的占比不斷增大，特別是在復(fù)雜曲面高速加工中更加突出。國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織（ISO）制定的ISO10791和ISO230系列標(biāo)準(zhǔn)都只關(guān)注了靜態(tài)幾何精度檢測(cè)，缺少針對(duì)機(jī)床動(dòng)態(tài)精度的檢驗(yàn)方法。為保障五軸數(shù)控機(jī)床空間曲面的加工能力，研究曲面特征下的機(jī)床動(dòng)態(tài)性能作用機(jī)理及五軸數(shù)控機(jī)床動(dòng)態(tài)精度檢驗(yàn)方法顯得尤為重要。
　　本文針對(duì)復(fù)雜直紋曲面?zhèn)茹娂庸?，提取了表達(dá)曲面形貌的多種幾何特征，分析了不同特征下的機(jī)床運(yùn)動(dòng)學(xué)規(guī)律，建立了零件輪廓誤差與上述

3、特征的映射關(guān)系，為作者前期發(fā)明的機(jī)床動(dòng)態(tài)精度檢測(cè)試件—“S”形試件的進(jìn)一步完善提供了理論依據(jù)和方法。論文主要研究?jī)?nèi)容如下：
　　研究了基于NC代碼的機(jī)床各軸運(yùn)動(dòng)學(xué)規(guī)律和曲面輪廓誤差計(jì)算方法。通過(guò)分析直線(xiàn)軸和旋轉(zhuǎn)軸進(jìn)給系統(tǒng)結(jié)構(gòu)模型，建立了包含伺服控制系統(tǒng)、機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)和檢測(cè)反饋系統(tǒng)的軸進(jìn)給模型；基于多體系統(tǒng)理論，建立多軸聯(lián)動(dòng)的刀具末端姿態(tài)計(jì)算模型。在此基礎(chǔ)上，在MATLAB環(huán)境下開(kāi)發(fā)了機(jī)床運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真工具，可根據(jù)NC代碼計(jì)算加工過(guò)程中

4、各軸實(shí)時(shí)的速度、加速度、加加速度，并基于給定的機(jī)床靜動(dòng)態(tài)誤差因素，得到刀具中心點(diǎn)軌跡誤差，為后續(xù)不同曲面特征下的機(jī)床動(dòng)態(tài)性能分析奠定基礎(chǔ)。
　　開(kāi)展了直紋面曲率相關(guān)特征與機(jī)床軸運(yùn)動(dòng)特征的對(duì)應(yīng)關(guān)系研究。提取出包括曲率大小、曲率變化率和曲率連續(xù)性等幾何特征，以二軸聯(lián)動(dòng)為例，推導(dǎo)了直線(xiàn)軸速度、加速度、加加速度在幾種特征下的表達(dá)式；設(shè)計(jì)了恒曲率、變曲率和曲率連續(xù)性等特征試件，在仿真工具和實(shí)際加工中驗(yàn)證了直線(xiàn)軸的運(yùn)動(dòng)學(xué)規(guī)律?；诜抡婀ぞ哌M(jìn)行

5、旋轉(zhuǎn)軸運(yùn)動(dòng)特性預(yù)測(cè)，并設(shè)計(jì)了曲率特征綜合試件，在西門(mén)子840D數(shù)控系統(tǒng)實(shí)時(shí)采集采集功能支持下，進(jìn)行了試件實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，結(jié)合仿真結(jié)果驗(yàn)證了各軸的運(yùn)動(dòng)規(guī)律。
　　研究了曲率相關(guān)特征與零件加工輪廓誤差的作用關(guān)系。在仿真計(jì)算刀具中心點(diǎn)軌跡的基礎(chǔ)上，建立了刀具包絡(luò)運(yùn)動(dòng)下的零件輪廓計(jì)算方法。以第三章中建立的曲率相關(guān)特征試件為例，計(jì)算了刀具真實(shí)運(yùn)動(dòng)下的輪廓誤差，給出了曲率大小、曲率變化率和曲率連續(xù)性特征下零件輪廓誤差分布規(guī)律，通過(guò)擴(kuò)展機(jī)床拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)類(lèi)

6、型和切削實(shí)驗(yàn)，進(jìn)一步驗(yàn)證了曲率特征作用輪廓誤差的普適性規(guī)律。
　　開(kāi)展了直紋面扭曲角特征對(duì)零件輪廓誤差的影響規(guī)律研究。針對(duì)非可展直紋曲面加工的刀具姿態(tài)，提出了表征直紋面扭曲角的開(kāi)閉角特征，分析了開(kāi)閉角轉(zhuǎn)換過(guò)程中扭曲、奇異區(qū)域的幾何特點(diǎn)。對(duì)于非可展直紋面提出以中線(xiàn)驅(qū)動(dòng)減小加工原理誤差的方法；對(duì)于奇異點(diǎn)特征，分析了CA雙擺頭機(jī)床過(guò)象限的轉(zhuǎn)角突變?cè)怼Ｍㄟ^(guò)設(shè)計(jì)開(kāi)閉角轉(zhuǎn)換試件，分別在BA、CA兩種結(jié)構(gòu)機(jī)床上進(jìn)行輪廓誤差仿真和切削實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證

7、了開(kāi)閉角特征作用下的輪廓誤差分布規(guī)律。
　　在直紋面的曲率和扭曲角作用下輪廓誤差分布規(guī)律的指導(dǎo)下，對(duì)原有“S”形試件定義進(jìn)行完善，完成了包含直紋曲面相關(guān)幾何特征的新型“S”形試件的幾何建模；對(duì)目前常用五軸數(shù)控機(jī)床精度檢驗(yàn)試件，通過(guò)與前述章節(jié)的研究成果進(jìn)行對(duì)比分析，從理論上論證了“S”形試件在五軸數(shù)控機(jī)床動(dòng)態(tài)精度檢測(cè)方面的全面性和敏感性，科學(xué)回答了“S”形試件在五軸機(jī)床動(dòng)態(tài)精度檢驗(yàn)中的優(yōu)越性。對(duì)“S”形試件的裝夾方案、加工工藝、測(cè)量