基于特征樣件的三軸數(shù)控銑床誤差測(cè)量方法研究.pdf

1、目前精密/超精密加工產(chǎn)品在航空航天、生物醫(yī)學(xué)、微型通信等領(lǐng)域中被廣泛應(yīng)用并扮演著日益關(guān)鍵性角色,同時(shí)這些領(lǐng)域迅猛發(fā)展也對(duì)產(chǎn)品精度提出了越來(lái)越苛刻的要求,如何提高產(chǎn)品的精度將是機(jī)械加工所面臨的巨大挑戰(zhàn)。機(jī)床作為加工產(chǎn)品的母機(jī)直接影響著產(chǎn)品的精度,故為保證產(chǎn)品精度首先需要采取合理措施以提高機(jī)床的精度等級(jí)。大量實(shí)踐證實(shí)誤差補(bǔ)償法已是提高機(jī)床精度最為經(jīng)濟(jì)有效的方法,而實(shí)現(xiàn)誤差補(bǔ)償?shù)氖滓獥l件則是辨識(shí)/預(yù)測(cè)出機(jī)床各項(xiàng)誤差源。當(dāng)前測(cè)量機(jī)床誤差的方法雖

2、然繁多,但是仍不能滿(mǎn)足工業(yè)界的亟需,故本課題提出了基于特征樣件的機(jī)床誤差測(cè)量方法,以期提供一種新穎實(shí)用的誤差測(cè)量方式。因?yàn)闃蛹菣C(jī)床實(shí)際加工而得,故所識(shí)別出的機(jī)床各項(xiàng)誤差更能反映出機(jī)床在加工過(guò)程中的動(dòng)態(tài)特性,由于該方法的快速便捷性和高效多用性可預(yù)測(cè)出其在工業(yè)界具有廣闊的潛在應(yīng)用空間。為此本文針對(duì)基于特征樣件的三軸數(shù)控銑床誤差測(cè)量方法的關(guān)鍵性基礎(chǔ)問(wèn)題進(jìn)行了研究。
　　由于機(jī)床眾多誤差源的存在,使得加工工件存有各種形位誤差如直線度、位

3、置度等。為了建立工件上形位誤差與機(jī)床各項(xiàng)誤差的解析關(guān)系,本文基于多體系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)學(xué)理論對(duì)機(jī)床進(jìn)行了數(shù)學(xué)解析。以 FXYZ三軸銑床為研究對(duì)象,通過(guò)低序體陣列和自由度列表實(shí)現(xiàn)了對(duì)三軸銑床結(jié)構(gòu)的數(shù)學(xué)描述,借助于理想特征矩陣、誤差特征矩陣的疊乘建立了刀具成形點(diǎn)相對(duì)于工件的空間誤差模型。同時(shí)基于機(jī)床垂直度誤差的數(shù)學(xué)定義,將三軸銑床的21項(xiàng)誤差等效簡(jiǎn)化為18項(xiàng)獨(dú)立的誤差參數(shù)。這些數(shù)學(xué)表述為下述誤差辨識(shí)奠定了數(shù)學(xué)分析基礎(chǔ)。
　　在所建立的空間誤差模

4、型基礎(chǔ)上反求出相關(guān)幾何要素集及其之間位置參數(shù)關(guān)系。在由這些幾何要素集構(gòu)成的系列樣件上選擇合理成形點(diǎn)的位置參數(shù),辨識(shí)出了三軸銑床的18項(xiàng)當(dāng)量誤差并給出了這些當(dāng)量誤差的解析式,基于這18項(xiàng)當(dāng)量誤差進(jìn)一步獲得三軸銑床的21項(xiàng)誤差。針對(duì)樣件測(cè)量過(guò)程中,三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)坐標(biāo)系與工件坐標(biāo)系不統(tǒng)一這一關(guān)鍵性問(wèn)題,建立了坐標(biāo)系間空間位姿模型,實(shí)現(xiàn)了工件上幾何要素的坐標(biāo)值在這兩個(gè)坐標(biāo)系內(nèi)的互換。至此就完整地建立了基于特征樣件的三軸銑床誤差辨識(shí)/測(cè)量方法的理論

5、鏈。同時(shí)基于系列樣件設(shè)計(jì)出了能夠辨識(shí)出FXYZ三軸銑床21項(xiàng)誤差的特征樣件,即XY平面特征樣件和Z向特征樣件。
　　文中采用MATLAB編程構(gòu)建了基于特征樣件的誤差辨識(shí)方法的仿真系統(tǒng)。為了測(cè)試?yán)碚撴溨心Ｐ偷聂敯粜约氨ＷC仿真系統(tǒng)運(yùn)行的客觀性,機(jī)床的各項(xiàng)誤差、坐標(biāo)系間變換角度等關(guān)鍵性參數(shù)均由隨機(jī)函數(shù)產(chǎn)生,并引入了正態(tài)分布函數(shù)表征測(cè)量過(guò)程中存在的隨機(jī)性誤差。多次隨機(jī)性的仿真結(jié)果顯示刀具半徑、成形點(diǎn)位置參數(shù)、幾何要素的位置參數(shù)、測(cè)量過(guò)程的

6、隨機(jī)誤差等對(duì)辨識(shí)精度均有影響,合理選擇這些參數(shù)可使當(dāng)量誤差出色地逼近機(jī)床的實(shí)際誤差,這就從模型仿真角度說(shuō)明了所建理論鏈?zhǔn)钦_合理的。
　　本文最后在 XYFZ三軸數(shù)控銑床上進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究來(lái)驗(yàn)證本文所提誤差測(cè)量方法的可行性?；跇蛹⒘算姶?X導(dǎo)軌廣義直線度的數(shù)學(xué)解析,通過(guò)樣件的實(shí)際加工與測(cè)量獲得了基于樣件的 X導(dǎo)軌廣義直線度誤差;在實(shí)驗(yàn)中采用激光跟蹤儀實(shí)時(shí)測(cè)量X導(dǎo)軌運(yùn)行過(guò)程中的實(shí)際位姿并從中分離出基于激光跟蹤儀的X導(dǎo)軌廣義直線度