五軸數(shù)控機床幾何與熱致空間誤差檢測辨識及模型研究.pdf

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

2、床的空間誤差檢測和模型技術展開深入探究。
　　本論文首先在積極借鑒、吸收相關理論和研究成果的基礎上，展開了五軸機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床空間誤差檢測方法、基于球桿儀組合路徑的旋轉軸空間誤差檢測方法和基于球桿儀五軸機床主軸熱誤差檢測方法;然后，進行了基于NURBS的數(shù)控機床空間誤差曲線曲面模型的研究;最后，結合機床空間誤差模型和誤差檢測結果，展開了典型五軸數(shù)控機床空間誤差補償應用的實驗研究。論文主要研究

3、內容和成果概括如下:
　　在介紹機床局部坐標系與空間誤差定義的基礎上，建立了基于多體系統(tǒng)理論的數(shù)控機床空間誤差通用模型;進而推導了RRTTT型五軸數(shù)控機床的空間誤差模型;提出了采用微分算子對誤差變換矩陣進行分解，大大簡化了機床空間誤差模型。
　　提出了基于雙路激光的五軸數(shù)控機床空間誤差檢測辨識方法（包括平動軸和旋轉軸的空間誤差檢測）;并展開了雙路激光的五軸機床空間誤差的測量實驗。實驗表明:采用雙路激光對機床單個平動軸同時測量

4、，可避免線性方程組求解步驟，簡化了辨識過程;采用雙路激光和轉臺儀的機床旋轉軸測量方法，通過簡單的代數(shù)運算便可辨識出旋轉軸的6項誤差參數(shù)。
　　展開了基于球桿儀的機床旋轉軸空間誤差檢測辨識的研究，提出了采用組合路徑測量方法，簡化誤差辨識過程。介紹了組合路徑測量原理，推導了軸向跳動誤差、徑向誤差、轉角定位誤差、偏擺角和俯仰角誤差的辨識過程。完成了雙轉臺五軸機床旋轉軸A軸和C軸的空間誤差測量實驗，通過對比激光測量結果，驗證了組合路徑測量

5、方法的可靠性。
　　提出了基于球桿儀的五軸數(shù)控機床主軸熱誤差檢測辨識方法。借助球桿儀的空間軌跡測量功能，通過一次安裝，便可完成兩個旋轉軸的測量路徑;采用最小二乘方法對測量數(shù)據(jù)進行處理，辨識出主軸的熱誤差，包括軸向熱伸長和另外兩個方向的熱漂移。結合ISO230-3標準中五點法的對比實驗，驗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)控機床空間誤差曲線曲面數(shù)學模型。提出采用最小二乘方法反求NU

6、RBS曲線曲面的控制點;分析了參數(shù)化方法、控制點數(shù)、節(jié)點矢量和權因子等對NURBS曲線曲面擬合精度的影響;提出了采用改進遺傳算法對NURBS的節(jié)點矢量和權因子進行優(yōu)化，建立機床空間誤差的數(shù)學表達模型;并采用折半查找法對誤差參數(shù)的數(shù)學模型進行查找，實現(xiàn)快速獲取機床工作空間任意位姿的空間誤差。提出了NURBS曲線曲面數(shù)學表達模型在五軸機床空間誤差的具體應用。
　　結合機床空間誤差模型，研究了誤差測量辨識結果和空間誤差曲線曲面數(shù)學表達模