五軸數(shù)控機(jī)床幾何與熱致空間誤差檢測辨識(shí)及模型研究.pdf

1、數(shù)控機(jī)床的加工精度是衡量數(shù)控機(jī)床工作性能的重要指標(biāo)。研究如何便捷、快速、精確地獲得數(shù)控機(jī)床空間誤差，對機(jī)床誤差補(bǔ)償、提高加工精度具有舉足輕重的意義。本學(xué)位論文結(jié)合國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目“復(fù)合機(jī)床多主軸熱親近理論及空間耦合熱誤差協(xié)同補(bǔ)償基礎(chǔ)技術(shù)研究”（項(xiàng)目編號(hào):51175461）和“高檔數(shù)控機(jī)床與基礎(chǔ)制造裝備”國家科技重大專項(xiàng)“基于敏感點(diǎn)監(jiān)測的閉環(huán)動(dòng)態(tài)綜合補(bǔ)償技術(shù)”（項(xiàng)目編號(hào):2009ZX04014-026），以五軸數(shù)控機(jī)床為分析對象，對機(jī)

2、床的空間誤差檢測和模型技術(shù)展開深入探究。
　　本論文首先在積極借鑒、吸收相關(guān)理論和研究成果的基礎(chǔ)上，展開了五軸機(jī)床空間誤差檢測方法的研究，提出了基于雙路激光的五軸機(jī)床空間誤差檢測方法、基于球桿儀組合路徑的旋轉(zhuǎn)軸空間誤差檢測方法和基于球桿儀五軸機(jī)床主軸熱誤差檢測方法;然后，進(jìn)行了基于NURBS的數(shù)控機(jī)床空間誤差曲線曲面模型的研究;最后，結(jié)合機(jī)床空間誤差模型和誤差檢測結(jié)果，展開了典型五軸數(shù)控機(jī)床空間誤差補(bǔ)償應(yīng)用的實(shí)驗(yàn)研究。論文主要研究

3、內(nèi)容和成果概括如下:
　　在介紹機(jī)床局部坐標(biāo)系與空間誤差定義的基礎(chǔ)上，建立了基于多體系統(tǒng)理論的數(shù)控機(jī)床空間誤差通用模型;進(jìn)而推導(dǎo)了RRTTT型五軸數(shù)控機(jī)床的空間誤差模型;提出了采用微分算子對誤差變換矩陣進(jìn)行分解，大大簡化了機(jī)床空間誤差模型。
　　提出了基于雙路激光的五軸數(shù)控機(jī)床空間誤差檢測辨識(shí)方法（包括平動(dòng)軸和旋轉(zhuǎn)軸的空間誤差檢測）;并展開了雙路激光的五軸機(jī)床空間誤差的測量實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)表明:采用雙路激光對機(jī)床單個(gè)平動(dòng)軸同時(shí)測量

4、，可避免線性方程組求解步驟，簡化了辨識(shí)過程;采用雙路激光和轉(zhuǎn)臺(tái)儀的機(jī)床旋轉(zhuǎn)軸測量方法，通過簡單的代數(shù)運(yùn)算便可辨識(shí)出旋轉(zhuǎn)軸的6項(xiàng)誤差參數(shù)。
　　展開了基于球桿儀的機(jī)床旋轉(zhuǎn)軸空間誤差檢測辨識(shí)的研究，提出了采用組合路徑測量方法，簡化誤差辨識(shí)過程。介紹了組合路徑測量原理，推導(dǎo)了軸向跳動(dòng)誤差、徑向誤差、轉(zhuǎn)角定位誤差、偏擺角和俯仰角誤差的辨識(shí)過程。完成了雙轉(zhuǎn)臺(tái)五軸機(jī)床旋轉(zhuǎn)軸A軸和C軸的空間誤差測量實(shí)驗(yàn)，通過對比激光測量結(jié)果，驗(yàn)證了組合路徑測量

5、方法的可靠性。
　　提出了基于球桿儀的五軸數(shù)控機(jī)床主軸熱誤差檢測辨識(shí)方法。借助球桿儀的空間軌跡測量功能，通過一次安裝，便可完成兩個(gè)旋轉(zhuǎn)軸的測量路徑;采用最小二乘方法對測量數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，辨識(shí)出主軸的熱誤差，包括軸向熱伸長和另外兩個(gè)方向的熱漂移。結(jié)合ISO230-3標(biāo)準(zhǔn)中五點(diǎn)法的對比實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了所提球桿儀主軸熱誤差測量方法的可行性和有效性。
　　建立了基于NURBS的數(shù)控機(jī)床空間誤差曲線曲面數(shù)學(xué)模型。提出采用最小二乘方法反求NU

6、RBS曲線曲面的控制點(diǎn);分析了參數(shù)化方法、控制點(diǎn)數(shù)、節(jié)點(diǎn)矢量和權(quán)因子等對NURBS曲線曲面擬合精度的影響;提出了采用改進(jìn)遺傳算法對NURBS的節(jié)點(diǎn)矢量和權(quán)因子進(jìn)行優(yōu)化，建立機(jī)床空間誤差的數(shù)學(xué)表達(dá)模型;并采用折半查找法對誤差參數(shù)的數(shù)學(xué)模型進(jìn)行查找，實(shí)現(xiàn)快速獲取機(jī)床工作空間任意位姿的空間誤差。提出了NURBS曲線曲面數(shù)學(xué)表達(dá)模型在五軸機(jī)床空間誤差的具體應(yīng)用。
　　結(jié)合機(jī)床空間誤差模型，研究了誤差測量辨識(shí)結(jié)果和空間誤差曲線曲面數(shù)學(xué)表達(dá)模