數(shù)控機床工作精度檢驗中的運動控制指標作用機理研究.pdf

1、隨著現(xiàn)代制造技術的快速發(fā)展，數(shù)控機床已經(jīng)成為不可或缺的重要設備，而高速高精度五軸數(shù)控機床的應用已經(jīng)成為提升制造業(yè)技術水平及高科技發(fā)展的重要標志。在復雜零件的高速精密加工中，五軸數(shù)控機床的運動性能成為影響工件質(zhì)量的關鍵因素和機床等級評價的重要指標。通過切削試件輪廓誤差的表現(xiàn)反映運動控制指標的作用度，以指導機床調(diào)整和工藝優(yōu)化，保障五軸數(shù)控機床最終加工精度有著十分重要意義。
　　本文從數(shù)控機床的工作精度檢驗標準出發(fā)，對五軸數(shù)控機床加工過

2、程中的輪廓誤差形成機理，數(shù)控機床伺服特性和控制系統(tǒng)的控制特性對運動軌跡、運動性能和加工精度的影響進行了研究。采用一種基于前瞻算法的多軸運動的軸速度規(guī)劃策略，建立了五軸聯(lián)動數(shù)控機床運動控制參數(shù)影響試件切削速度、加速度以及加工精度的模型，揭示了試件在高速高精度加工中異常刀痕形成機理，探索了多軸聯(lián)動高速加工數(shù)控機床工作性能評價新途徑，為利用復雜形面試切結(jié)果評價數(shù)控機床的工作性能提供了理論依據(jù)。研究過程中主要開展了以下幾個方面的工作并得到相關的

3、研究成果。
　?。?）論文首先研究了五軸數(shù)控加工中的試件輪廓誤差形成機理，分析了數(shù)控機床加工誤差的主要來源，論述了五軸數(shù)控機床的軸跟隨誤差對試件輪廓誤差形成的作用機理。針對五軸數(shù)控機床由于旋轉(zhuǎn)軸的引入導致的刀尖運動軌跡的復雜變化，運用了多體運動理論以及齊次坐標變換理論，推導了五軸數(shù)控加工中的復雜形面的軸跟隨誤差與輪廓誤差的映射關系。
　?。?）由于數(shù)控機床的伺服特性是影響單軸跟隨誤差的主要因素，本文根據(jù)數(shù)控機床的平動軸、旋轉(zhuǎn)

4、軸伺服驅(qū)動裝置和機械傳動機構(gòu)的結(jié)構(gòu)特點，建立了這兩種形式的伺服機構(gòu)動力學模型，研究數(shù)控機床伺服性能指標對各坐標軸誤差的影響，特別是旋轉(zhuǎn)軸伺服特性對輪廓誤差的影響。針對工作精度檢驗中常見的圓弧軌跡的多軸聯(lián)動運動情況，分別對平動軸與旋轉(zhuǎn)軸聯(lián)動、兩個旋轉(zhuǎn)軸聯(lián)動兩種聯(lián)動方式進行了討論，從伺服系統(tǒng)的剛度、增益、伺服時間常數(shù)、反向間隙等指標對輪廓誤差的影響以及各軸參數(shù)之間匹配關系進行了系統(tǒng)的分析。
　?。?）研究了數(shù)控系統(tǒng)的控制方法、運動極限

5、參數(shù)對坐標軸誤差的影響。由于坐標軸跟隨誤差與軸運動速度相關，即受坐標軸指令值的直接影響，而坐標軸指令又受數(shù)控系統(tǒng)插補算法，加減速控制方式及運動極限參數(shù)，前瞻算法等多因素影響，使得伺服系統(tǒng)接收的各坐標軸指令與編程的G代碼指令有較大不同，不能簡單按照試件成形機理分解成各坐標軸指令，因此，本文采用了一種動態(tài)規(guī)劃的進給速度規(guī)劃策略來計算坐標軸指令，對高速高精度復雜形面加工中，微小段多，轉(zhuǎn)折和拐點多等情況下的進給速度實施規(guī)劃和軸指令值的求解，并分

6、析了控制系統(tǒng)加速度、加加速度、最大速度等極限參數(shù)對軸進給速度和軌跡運動誤差的影響，以及這些極限參數(shù)的作用權重，從而建立高速加工中數(shù)控機床的控制指標影響復雜曲面輪廓誤差的理論體系。
　?。?）針對工作精度檢驗中常用的國際標準NAS試件和“S”形試件的試件切削檢驗中的運動軌跡誤差進行了計算、仿真和實驗設計，研究了數(shù)控機床實際運動性能的表現(xiàn)，以及運動控制指標對加工精度的影響。通過NAS試件的仿真切削研究，分析了試件加工精度所映射的多軸聯(lián)

7、動機床伺服性能指標和運動控制指標作用規(guī)律；以“S”形試件側(cè)銑加工的過程為研究對象，從試件構(gòu)造的曲面特性出發(fā)，分析了五軸數(shù)控加工的編程代碼特點，對側(cè)銑加工表面切削速度受數(shù)控機床的加速度、加加速度等運動控制參數(shù)影響的平穩(wěn)性進行了分析，通過伺服進給系統(tǒng)模型獲得跟隨誤差，并對側(cè)銑加工的異常刀痕的形成進行了演繹。通過仿真和實驗，得到“S”形試件側(cè)銑加工異常刀痕的機床運動控制指標作用規(guī)律，為數(shù)控機床工作精度檢驗中試件構(gòu)造設計和利用試件切削誤差來檢驗