五軸數(shù)控機(jī)床空間誤差測(cè)量、建模與補(bǔ)償技術(shù)研究.pdf

1、五軸機(jī)床相比于三軸機(jī)床，它能加工各種復(fù)雜表面，具有更高的生產(chǎn)效率、更好的靈活性和更少的裝夾時(shí)間。然而，兩個(gè)旋轉(zhuǎn)軸引入了更多的幾何誤差，譬如旋轉(zhuǎn)軸軸線的位置誤差和平行度誤差等，導(dǎo)致了五軸機(jī)床有較大的空間誤差。本研究旨在首先測(cè)量和辨識(shí)五軸機(jī)床平動(dòng)軸和旋轉(zhuǎn)軸的所有41項(xiàng)幾何誤差元素，然后對(duì)機(jī)床的空間誤差建立數(shù)學(xué)模型，最后對(duì)機(jī)床的空間誤差進(jìn)行補(bǔ)償，從而提高機(jī)床的整體精度。
　　本研究獲得了國(guó)家自然科學(xué)基金、國(guó)家科技重大專項(xiàng)、國(guó)家重大科研儀

2、器研制項(xiàng)目和國(guó)家留學(xué)基金委高水平項(xiàng)目等課題的資助；以加拿大英屬哥倫比亞大學(xué)(UBC) Yusuf Altintas教授實(shí)驗(yàn)室的Quaser UX600雙轉(zhuǎn)臺(tái)五軸數(shù)控機(jī)床為主要研究對(duì)象；以沈陽(yáng)機(jī)床廠的一臺(tái)雙轉(zhuǎn)臺(tái)五軸數(shù)控機(jī)床為輔助研究對(duì)象；研究并提出了旋轉(zhuǎn)軸的與位置無(wú)關(guān)幾何誤差(position-independent geometric error，PIGEs)和與位置有關(guān)幾何誤差(position-dependent geometric

3、 errors，PDGEs)的測(cè)量辨識(shí)方法，基于螺旋理論提出了五軸機(jī)床空間誤差的建模和補(bǔ)償策略，建立了五軸機(jī)床空間誤差統(tǒng)一模型，基于虛擬CNC開(kāi)發(fā)了五軸機(jī)床空間誤差補(bǔ)償仿真平臺(tái)。
　　本文的主要研究?jī)?nèi)容有：
　　(1)研究了五軸機(jī)床旋轉(zhuǎn)軸的誤差測(cè)量方法，提出了基于球桿儀測(cè)量和辨識(shí)旋轉(zhuǎn)軸誤差的三種測(cè)量方法：?jiǎn)为?dú)辨識(shí)PIGEs、單獨(dú)辨識(shí)PDGEs以及同時(shí)辨識(shí)PIGEs和PDGEs。在PIGEs的單獨(dú)辨識(shí)中：一共有3種測(cè)量模式，前

4、兩種測(cè)量模式中始終保持平動(dòng)軸靜止，僅有兩個(gè)旋轉(zhuǎn)軸單獨(dú)轉(zhuǎn)動(dòng)，第三種模式中設(shè)計(jì)了A軸和C軸一起轉(zhuǎn)動(dòng)而實(shí)現(xiàn)的圓軌跡。通過(guò)三種模式的測(cè)量得到8項(xiàng)PIGEs的解析解；在PDGEs的單獨(dú)測(cè)量中：針對(duì)每一個(gè)旋轉(zhuǎn)軸提出了5種測(cè)量模式，在這些模式中保持平動(dòng)軸靜止，僅有待測(cè)的旋轉(zhuǎn)軸運(yùn)動(dòng)，從而排除了平動(dòng)軸引入的誤差；測(cè)量過(guò)程中，球桿儀始終保持對(duì)一個(gè)測(cè)量方向敏感，其作用可認(rèn)為是單自由度的高精密位移傳感器；基于測(cè)量結(jié)果，解耦得到兩個(gè)旋轉(zhuǎn)軸除滾轉(zhuǎn)誤差外的10項(xiàng)PD

5、GEs。在同時(shí)辨識(shí) PIGEs和PDGEs的測(cè)量中：給出了球桿儀切向、徑向和軸向的測(cè)量模式和該模式下PIGEs和PDGEs同時(shí)辨識(shí)的解析解。試驗(yàn)結(jié)果證實(shí)了誤差辨識(shí)的準(zhǔn)確性。
　　(2)研究了五軸機(jī)床的空間誤差，建立了基于螺旋理論的五軸機(jī)床空間誤差模型和五軸機(jī)床的空間誤差統(tǒng)一模型。螺旋理論可有效地對(duì)五軸機(jī)床正運(yùn)動(dòng)學(xué)和逆運(yùn)動(dòng)學(xué)進(jìn)行建模。另外，通過(guò)引入誤差旋量可有效地對(duì)各項(xiàng)誤差元素進(jìn)行建模；基于螺旋理論得到的空間誤差模型與常規(guī)的通過(guò)齊次

6、坐標(biāo)變換得到的結(jié)果完全相同。在空間誤差統(tǒng)一模型中，通過(guò)設(shè)計(jì)一種新的奇異函數(shù)，該統(tǒng)一模型可適用于4種常見(jiàn)類型的三軸加工中心和12種類型的五軸機(jī)床；與傳統(tǒng)的統(tǒng)一模型相比，該模型更加具體且方便，用戶只需向模型輸入機(jī)床平動(dòng)軸和旋轉(zhuǎn)軸對(duì)應(yīng)的類型序號(hào)，即可得到最終的空間誤差模型，不需要任何人為操作。最后簡(jiǎn)略描述了機(jī)床誤差元素的建模方法，針對(duì)定位誤差和直線度誤差等提出了新的建模方法。
　　(3)研究了五軸機(jī)床的空間誤差的補(bǔ)償方法，利用螺旋理論逆

7、運(yùn)動(dòng)學(xué)計(jì)算提出了基于迭代法的五軸機(jī)床空間誤差補(bǔ)償策略，該補(bǔ)償方法能夠有效地對(duì)五軸機(jī)床空間誤差進(jìn)行補(bǔ)償。研發(fā)了基于虛擬CNC的五軸空間誤差補(bǔ)償仿真平臺(tái)。在選擇對(duì)應(yīng)機(jī)床結(jié)構(gòu)的前提下，輸入所有誤差元素的擬合模型，即可預(yù)測(cè)機(jī)床在當(dāng)前刀具路徑在不同位置處的空間誤差值，并同時(shí)計(jì)算補(bǔ)償后的各軸的運(yùn)動(dòng)量，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)空間誤差的補(bǔ)償仿真。該仿真平臺(tái)基于螺旋理論進(jìn)行開(kāi)發(fā)，適用于任意結(jié)構(gòu)的五軸機(jī)床，并有效地對(duì)五軸機(jī)床的空間誤差進(jìn)行預(yù)測(cè)和補(bǔ)償。虛擬CNC的仿真結(jié)