影響工作精度的五軸數(shù)控機床聯(lián)動性能測試方法研究.pdf

1、制造業(yè)是國家國民經(jīng)濟的支柱產(chǎn)業(yè)，數(shù)控機床特別是五軸數(shù)控機床，已成為各行業(yè)不可或缺的工作母機，是一個國家生產(chǎn)能力和自動化水平的重要標志。在高速高精密加工過程中，五軸機床的聯(lián)動性能已成為影響工件加工質(zhì)量的重要因素，研究影響工作精度的五軸機床聯(lián)動性能測試問題對提高五軸聯(lián)動機床的加工能力和加工精度有著十分重要的意義。
　　本文圍繞影響五軸數(shù)控機床工作精度的多軸聯(lián)動性能問題，研究加工過程中的多軸聯(lián)動誤差形成機理，對數(shù)控機床伺服控制系統(tǒng)性能在

2、多軸聯(lián)動精度、標準試件表面質(zhì)量上的影響規(guī)律進行研究，探尋針對五軸數(shù)控機床聯(lián)動精度的高效檢測手段，研究基于RTCP（Rotation tool center point）和S試件的五軸機床聯(lián)動性能檢測方法，揭示五軸機床多軸聯(lián)動時刀具刀尖點誤差以及 S試件的異常表面紋理形成機理。研究五軸數(shù)控機床聯(lián)動誤差溯源方法，為五軸數(shù)控機床的動態(tài)參數(shù)調(diào)整提供指導(dǎo)性建議。研究內(nèi)容與各章節(jié)對應(yīng)關(guān)系為：第二章中依據(jù)五軸機床結(jié)構(gòu)建立五軸機床聯(lián)動誤差模型。第三章研

3、究在標準檢驗試件上局部異常表面形成中五軸機床聯(lián)動性能的作用機理。第四章開展基于 RTCP檢測的五軸機床聯(lián)動性能測試原理分析。第五章開展基于 RTCP檢測的五軸機床聯(lián)動性能測試軌跡比較研究。第六章開展基于 RTCP特定檢測軌跡下的五軸機床聯(lián)動性能差異溯源方法研究。
　　經(jīng)本文工作得到以下研究成果：
　?。?）揭示五軸機床聯(lián)動加工中機床聯(lián)動性能與工件表面結(jié)構(gòu)之間的內(nèi)在聯(lián)系規(guī)律。利用五軸機床聯(lián)動誤差模型，仿真分析五軸機床聯(lián)動性能對

4、工件輪廓誤差的作用過程，通過高通濾波提取輪廓誤差中表面微觀成分，放大后直接疊加在工件表面，顯示出不同位置的表面質(zhì)量，證明五軸機床聯(lián)動誤差是引起工件表面異常的主要原因。以標準試件NAS979圓錐臺試件和S試件為研究對象，分析其幾何特征和機床加工運動特征，發(fā)現(xiàn) S試件具備變化的曲率、曲面不連續(xù)、豐富的運動狀態(tài)等特征。通過標準試件仿真和試切實驗，證明表面質(zhì)量與機床聯(lián)動誤差之間的內(nèi)在聯(lián)系。通過對比分析相同聯(lián)動性能狀態(tài)下的 NAS979圓錐臺試件

5、和 S試件的表面質(zhì)量，發(fā)現(xiàn) S試件不同位置的表面質(zhì)量存在明顯差異，相比 NAS979圓錐臺試件，S試件可更直觀有效地展示五軸機床聯(lián)動性能的優(yōu)劣?；赟試件表面質(zhì)量的五軸機床聯(lián)動性能測試方法可用于直觀有效地檢測五軸機床加工過程中的聯(lián)動性能，保障五軸機床的加工能力和加工精度。
　?。?）提出一種不同于ISO標準的RTCP檢測軌跡來有效便捷地展現(xiàn)五軸機床聯(lián)動性能。平動軸和旋轉(zhuǎn)軸動態(tài)誤差對刀具刀尖點誤差有著不同的作用規(guī)律，表明基于RTCP

6、的五軸機床聯(lián)動性能測試方法可以有效地檢測五軸機床的聯(lián)動性能。通過分析平動軸運動和旋轉(zhuǎn)軸運動之間的關(guān)系，確定利用旋轉(zhuǎn)軸運動參數(shù)表征RTCP檢測軌跡的定義方法。分析旋轉(zhuǎn)軸運動參數(shù)對RTCP檢測結(jié)果的影響規(guī)律，提出不同于ISO標準軌跡的基于余弦函數(shù)的檢測軌跡定義方法，并定義了4條余弦軌跡。對比分析4條余弦軌跡和ISO標準軌跡的幾何特性、運動特性和運行檢測軌跡時刀具刀尖點誤差對機床聯(lián)動性能參數(shù)的靈敏度，發(fā)現(xiàn)圓形軌跡Ts2和8字形軌跡Ts3具有變

7、化的曲率、更豐富的聯(lián)合運動速度狀態(tài)和更高的誤差靈敏度。以靈敏度最優(yōu)為目標函數(shù)，基于遺傳算法優(yōu)化 RTCP檢測軌跡，獲得機床各類動態(tài)性能相應(yīng)的優(yōu)化檢測軌跡-Ts3軌跡、Ts3_45軌跡和Ts3_90軌跡。通過仿真與實驗，表明不同的機床聯(lián)動誤差類型在不同的 RTCP檢測軌跡下有不盡相同的誤差表現(xiàn)，驗證RTCP優(yōu)化檢測軌跡在五軸機床聯(lián)動性能檢測能力上的優(yōu)越性。
　?。?）提出一種基于圖像識別的聯(lián)動誤差類別溯源方法和基于軌跡相似度的聯(lián)動誤

8、差精確溯源方法相結(jié)合的五軸機床聯(lián)動性能差異溯源方法。以執(zhí)行8字形檢測軌跡時刀具刀尖點誤差為研究對象，依據(jù)不同五軸機床聯(lián)動性能下刀具刀尖點誤差軌跡的差異特征，將機床聯(lián)動誤差分為75類，對刀具刀尖點誤差軌跡在多維度中的軌跡圖形進行歸一化，并利用傅里葉描述子提取刀具刀尖點誤差軌跡特征，與機床聯(lián)動誤差標準圖庫中的誤差軌跡圖比對，找尋最相近的圖形，確定五軸機床聯(lián)動誤差類型。通過軌跡相似度溯源方法準確溯源得到五軸機床各驅(qū)動軸聯(lián)動性能差異。通過五軸機