雙轉(zhuǎn)臺五軸數(shù)控機(jī)床誤差的動態(tài)實(shí)時(shí)補(bǔ)償研究.pdf

1、五軸機(jī)床屬典型的多坐標(biāo)聯(lián)動機(jī)床，由于其同時(shí)具有移動和旋轉(zhuǎn)刀具(或工件)的能力，可以對幾何形狀比較復(fù)雜和精度要求較高的自由曲面進(jìn)行加工，具有很高的靈活性，在精密制造領(lǐng)域的應(yīng)用越來越廣泛。本文針對五軸聯(lián)動機(jī)床的機(jī)床誤差，在國家科技重大專項(xiàng)“高檔數(shù)控機(jī)床與基礎(chǔ)制造裝備”等項(xiàng)目資助和支持下，以上海交通大學(xué)與上海電氣中央研究院等聯(lián)合研制的雙轉(zhuǎn)臺五軸聯(lián)動數(shù)控機(jī)床為主要對象，進(jìn)行了五軸機(jī)床的高效檢測、數(shù)學(xué)建模和補(bǔ)償實(shí)施等研究，證明了基于軟件的誤差補(bǔ)償

2、技術(shù)是提高五軸數(shù)控機(jī)床加工精度既經(jīng)濟(jì)又有效的方法。
　　 本文的主要內(nèi)容如下：
　　 (1)建立了五軸機(jī)床的綜合數(shù)學(xué)模型。在分析五軸機(jī)床的基本結(jié)構(gòu)和機(jī)械加工工藝系統(tǒng)主要誤差源的基礎(chǔ)上，分別指出五軸機(jī)床的幾何誤差、熱誤差和切削力誤差的來源及其在各運(yùn)動軸及主軸誤差中的表現(xiàn)形式，得到了97項(xiàng)誤差元素，并根據(jù)同一運(yùn)動部件在相同運(yùn)動自由度上幾何誤差、熱誤差和切削力誤差的線性疊加關(guān)系，簡化得到42項(xiàng)誤差元素。在對機(jī)床總體運(yùn)動鏈進(jìn)行分

3、析的基礎(chǔ)上，基于小角度假設(shè)，應(yīng)用剛體運(yùn)動的齊次坐標(biāo)變換理論，建立了五軸機(jī)床的綜合誤差模型，并以雙轉(zhuǎn)臺五軸機(jī)床為例，推導(dǎo)了位置誤差和方向誤差的數(shù)學(xué)公式，該模型和公式可以拓展到其他結(jié)構(gòu)的五軸機(jī)床，為誤差補(bǔ)償?shù)膶?shí)施打下基礎(chǔ)。
　　 (2)提出了一種五軸數(shù)控機(jī)床誤差的高效測量方法。在ISO230-6推薦的一種沿著體對角線進(jìn)行數(shù)控機(jī)床精度檢驗(yàn)的方法基礎(chǔ)上，通過與美國光動公司合作，提出了一種沿體對角線的機(jī)床空間幾何誤差的激光矢量測量方法，利

4、用激光多普勒位移測量儀，通過分步測量機(jī)床工作空間的4條體對角線，并結(jié)合空間定位誤差綜合模型，得到9組用于誤差補(bǔ)償?shù)倪\(yùn)動與誤差之間關(guān)系的信息，可以實(shí)現(xiàn)機(jī)床誤差的快速高效測量和標(biāo)定，在一臺帶有旋轉(zhuǎn)軸的機(jī)床上分別對工作空間的體對角線和旋轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)角定位誤差進(jìn)行了分步測量，相比傳統(tǒng)的誤差檢測方法，可以用較少的試驗(yàn)時(shí)間和步驟實(shí)現(xiàn)同樣效果，進(jìn)而提高誤差補(bǔ)償?shù)男省?br>　　 (3)進(jìn)行了五軸機(jī)床溫度測點(diǎn)優(yōu)化研究。針對五軸機(jī)床自身結(jié)構(gòu)和熱動態(tài)過程都

5、相當(dāng)復(fù)雜的特點(diǎn)，通過在機(jī)床熱敏感位置布置了24個傳感器進(jìn)行機(jī)床熱動態(tài)過程的溫度測量，并建立了基于熱特性分析與相關(guān)性理論相結(jié)合的測點(diǎn)優(yōu)化策略，篩選得到4個熱特征敏感位置，該方法與應(yīng)用灰色系統(tǒng)理論等方法得到了相同結(jié)果，而運(yùn)算過程更為簡便。采用這4個溫度測點(diǎn)建立的機(jī)床熱誤差模型簡化了結(jié)構(gòu)，減少運(yùn)算數(shù)據(jù)量，使熱誤差模型的預(yù)測精度和魯棒性得到提高。
　　 (4)建立了基于人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的五軸機(jī)床熱誤差模型。應(yīng)用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)理論學(xué)習(xí)能力和外推特性

6、，提出了適應(yīng)機(jī)床工況變化條件下的在線建模方法和模型，并與時(shí)間序列理論、模糊理論相結(jié)合，充分利用了人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的自學(xué)習(xí)能力，建?；谏窠?jīng)網(wǎng)絡(luò)的熱誤差模型，通過對實(shí)測機(jī)床熱誤差進(jìn)行建模和預(yù)報(bào)試驗(yàn)，證明基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的熱誤差模型具有良好的預(yù)報(bào)性能。
　　 (5)提出了一種適合五軸機(jī)床特點(diǎn)的分步解耦補(bǔ)償實(shí)施策略。以工件坐標(biāo)系為基礎(chǔ)坐標(biāo)系，應(yīng)用齊次坐標(biāo)系變換理論，推導(dǎo)了任一時(shí)刻各移動軸和旋轉(zhuǎn)軸運(yùn)動在工件坐標(biāo)系中的位置誤差數(shù)學(xué)表達(dá)式。針對五軸

7、機(jī)床的移動軸和轉(zhuǎn)動軸同時(shí)運(yùn)動存在耦合的特點(diǎn)，建立一種分步實(shí)施的補(bǔ)償策略。即首先進(jìn)行姿態(tài)誤差補(bǔ)償，通過旋轉(zhuǎn)軸的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動將工件的實(shí)際姿態(tài)調(diào)整到與理想姿態(tài)相同，然后通過移動軸的平移運(yùn)動進(jìn)行位置誤差補(bǔ)償，并相應(yīng)建立五軸機(jī)床誤差補(bǔ)償數(shù)學(xué)模型。通過仿真分析和對曲面零件的實(shí)時(shí)補(bǔ)償加工試驗(yàn)，明顯提高了加工精度，同時(shí)有效避免了直接進(jìn)行補(bǔ)償加工過程中可能帶來的運(yùn)動干涉情況，從而驗(yàn)證了該五軸機(jī)床誤差補(bǔ)償數(shù)學(xué)模型及其實(shí)時(shí)補(bǔ)償?shù)目尚行院陀行?，使補(bǔ)償過程既簡便易

8、行又可靠有效。
　　 (6)進(jìn)行了五軸機(jī)床誤差補(bǔ)償?shù)脑囼?yàn)驗(yàn)證。利用不同數(shù)控系統(tǒng)提供的外部機(jī)床坐標(biāo)系偏置功能，應(yīng)用開發(fā)的誤差補(bǔ)償裝置，采用本文提出的建模方法和控制策略，在雙轉(zhuǎn)臺五軸機(jī)床上進(jìn)行誤差實(shí)時(shí)補(bǔ)償實(shí)施，驗(yàn)證五軸機(jī)床誤差模型的精度和補(bǔ)償策略的適應(yīng)性。該補(bǔ)償裝置將誤差補(bǔ)償值通過外部機(jī)床坐標(biāo)系的偏置加到位置伺服環(huán)的控制信號中而實(shí)現(xiàn)機(jī)床誤差的實(shí)時(shí)補(bǔ)償，不需要修改數(shù)控指令及數(shù)控系統(tǒng)的軟硬件，已在國內(nèi)數(shù)家企業(yè)的數(shù)控機(jī)床上實(shí)施了獲得了滿意