五轴数控机床误差综合建模与测量技术

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随着现代制造业的不断发展,精密和超精密加工技术扮演着越来越重要的角色。数控机床作为发展新兴高新技术产业和尖端工业的基础装备,被广泛应用于生产现场。当前对五轴数控机床误差综合建模及测量技术的研究还比较少,在国家科技重大专项“高档数控机床与基础制造装备”的支持下,本课题致力于研究五轴数控机床误差综合建模、几何误差的分步对角线快速测量、热误差的温度布点优化以及误差元素建模等相关内容。本文的主要研究内容有:(1)五轴数控机床误差源及误差运动学分析。本文详细分析了五轴机床的结构特征及其主要误差源,分别对机床的移动副和转动副误差元素进行了分析,给出了机床全部的几何及热误差元素。进行了机床误差运动学分析,分别给出了移动副和转动副的误差运动学方程,为误差综合建模打下基础。(2)通过对五轴数控机床的结构和相互运动关系分析,建立双转台五轴数控机床误差综合模型。将机床刀具相对于工件的运动用多刚体间的位姿关系来描述,将刀具和工件间的关系表达为刀具到床身之间的“刀具-床身”运动链和工件到床身之间的“工件-床身”运动链间的位姿关系。首先利用刚体间的标准齐次坐标变换技术对双转台五轴数控机床进行了误差综合建模,然后基于小误差假设,对误差综合模型进行简化,得出该数控机床的误差综合数学模型,并验证了模型的正确性。(3)进行数控机床空间误差的分布对角线快速测量方法研究。五轴机床结构复杂,待检测的几何误差元素比较多,直接测量法虽然精度高,但是效率比较低。为此,本文使用空间误差的分步对角线测量方法,通过分步测量机床工作空间的四条体对角线方向误差,再结合相应的几何误差辨识技术,可以快速得到机床的9项位置误差和3项垂直度误差。(4)进行热误差测量系统及温度布点优化研究。本研究利用实验室开发的温度和热误差检测系统进行了温度及热误差数据采集,获得了机床温度场及主轴热误差数据。并基于偏相关分析原理,找到了影响主轴热误差的敏感热源,大大减少了温度测点数量,实现了热误差温度布点的优化。(5)建立五轴数控机床的误差元素模型,误差元素建模的理论基础是多元回归分析。对于几何误差,采用多项式回归建模,并提出了一种几何误差多项式模型的阶数选择方法,该方法建立的多项式模型能够很好的反应数据的变化规律,具有很高的精确性和鲁棒性。对于热误差采用多元线性回归建模,并基于偏相关分析原理进行了热误差建模优化研究,有效地避免了热误差模型中变量耦合现象的出现,提高了建模效率、精度和鲁棒性。
摘要第5-7页
ABSTRACT第7-8页
第一章 绪论第11-23页
    1.1 课题背景第11页
    1.2 课题研究意义第11-12页
    1.3 国内外数控机床误差建模及测量技术的研究现状第12-16页
        1.3.1 国外研究现状第12-14页
        1.3.2 国内研究现状第14-16页
    1.4 数控机床误差建模及测量的关键技术第16-20页
        1.4.1 机床误差及误差源分析第17-18页
        1.4.2 误差综合建模技术第18-19页
        1.4.3 误差元素建模技术第19页
        1.4.4 机床误差测量技术第19-20页
    1.5 目前存在问题第20-21页
    1.6 本文主要内容第21-23页
第二章 五轴数控机床误差元素及误差运动学分析第23-35页
    2.1 门式五轴加工中心简介第23-24页
    2.2 五轴数控机床的结构与运动关系分析第24-25页
        2.2.1 五轴数控机床的结构分析第24-25页
        2.2.2 五轴数控机床运动关系分析第25页
    2.3 五轴数控机床的误差元素第25-30页
        2.3.1 机床移动副的几何与热误差元素第26-27页
        2.3.2 机床转动副的几何与热误差元素第27-29页
        2.3.3 机床主轴的几何与热误差元素第29-30页
        2.3.4 五轴数控机床的几何与热误差元素第30页
    2.4 机床运动副误差运动学分析第30-34页
        2.4.1 齐次坐标变换第31-32页
        2.4.2 移动副误差运动学分析第32-33页
        2.4.3 转动副误差运动学分析第33-34页
    2.5 本章小结第34-35页
第三章 五轴数控机床误差综合建模第35-51页
    3.1 五轴数控机床运动链分析第35-36页
    3.2 五轴数控机床误差综合建模第36-49页
        3.2.1 参考坐标系的方向定义第37-38页
        3.2.2 机床坐标系的设定第38-39页
        3.2.3 机床各运动链间的齐次坐标变换第39-44页
        3.2.4 误差综合模型的建立第44-49页
    3.3 误差综合模型的验证第49-50页
    3.4 本章小结第50-51页
第四章 五轴数控机床误差测量技术第51-73页
    4.1 几何误差测量第51-54页
        4.1.1 激光干涉仪测量系统第51-53页
        4.1.2 数控机床几何误差的测量第53-54页
    4.2 体对角线测量第54-59页
        4.2.1 体对角线测量原理第54-56页
        4.2.2 常规体对角线测量法第56-58页
        4.2.3 常规体对角线测量方法存在的问题第58-59页
    4.3 分步对角线测量法第59-67页
        4.3.1 分步对角线测量原理第59-60页
        4.3.2 分步对角线测量的误差辨识第60-64页
        4.3.3 分步对角线测量的实施第64-67页
    4.4 热误差测量第67-72页
        4.4.1 温度与热误差测量系统第67-69页
        4.4.2 数控机床温度场测量第69-71页
        4.4.3 数控机床热误差测量第71-72页
    4.5 本章小结第72-73页
第五章 数控机床误差元素建模与分析第73-88页
    5.1 多元回归分析第73-78页
        5.1.1 多元线性回归模型第74-75页
        5.1.2 多元线性回归模型检验第75-78页
    5.2 几何误差元素建模第78-81页
        5.2.1 多项式拟合法原理第78-79页
        5.2.2 多项式拟合存在的问题第79-80页
        5.2.3 几何误差元素建模实例第80-81页
    5.3 热误差元素建模第81-87页
        5.3.1 多元线性回归建模优化方法第82-84页
        5.3.2 数控机床温度布点优化及其热误差建模第84-87页
    5.4 本章小结第87-88页
第六章 总结与展望第88-91页
    6.1 全文总结第88-89页
    6.2 主要创新点第89页
    6.3 展望和思考第89-91页
参考文献第91-97页
致谢第97-98页
攻读硕士学位期间已发表的论文第98页
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