基于特征樣件的三軸數(shù)控銑床誤差測量方法研究.pdf

1、目前精密/超精密加工產(chǎn)品在航空航天、生物醫(yī)學、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,同時這些領(lǐng)域迅猛發(fā)展也對產(chǎn)品精度提出了越來越苛刻的要求,如何提高產(chǎn)品的精度將是機械加工所面臨的巨大挑戰(zhàn)。機床作為加工產(chǎn)品的母機直接影響著產(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床的精度等級。大量實踐證實誤差補償法已是提高機床精度最為經(jīng)濟有效的方法,而實現(xiàn)誤差補償?shù)氖滓獥l件則是辨識/預(yù)測出機床各項誤差源。當前測量機床誤差的方法雖

2、然繁多,但是仍不能滿足工業(yè)界的亟需,故本課題提出了基于特征樣件的機床誤差測量方法,以期提供一種新穎實用的誤差測量方式。因為樣件是機床實際加工而得,故所識別出的機床各項誤差更能反映出機床在加工過程中的動態(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。為此本文針對基于特征樣件的三軸數(shù)控銑床誤差測量方法的關(guān)鍵性基礎(chǔ)問題進行了研究。
　　由于機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床各項誤差的解析關(guān)系,本文基于多體系統(tǒng)運動學理論對機床進行了數(shù)學解析。以 FXYZ三軸銑床為研究對象,通過低序體陣列和自由度列表實現(xiàn)了對三軸銑床結(jié)構(gòu)的數(shù)學描述,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相對于工件的空間誤差模型。同時基于機床垂直度誤差的數(shù)學定義,將三軸銑床的21項誤差等效簡化為18項獨立的誤差參數(shù)。這些數(shù)學表述為下述誤差辨識奠定了數(shù)學分析基礎(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的位置參數(shù),辨識出了三軸銑床的18項當量誤差并給出了這些當量誤差的解析式,基于這18項當量誤差進一步獲得三軸銑床的21項誤差。針對樣件測量過程中,三坐標測量機坐標系與工件坐標系不統(tǒng)一這一關(guān)鍵性問題,建立了坐標系間空間位姿模型,實現(xiàn)了工件上幾何要素的坐標值在這兩個坐標系內(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/測量方法的理論

5、鏈。同時基于系列樣件設(shè)計出了能夠辨識出FXYZ三軸銑床21項誤差的特征樣件,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方法的仿真系統(tǒng)。為了測試理論鏈中模型的魯棒性及保證仿真系統(tǒng)運行的客觀性,機床的各項誤差、坐標系間變換角度等關(guān)鍵性參數(shù)均由隨機函數(shù)產(chǎn)生,并引入了正態(tài)分布函數(shù)表征測量過程中存在的隨機性誤差。多次隨機性的仿真結(jié)果顯示刀具半徑、成形點位置參數(shù)、幾何要素的位置參數(shù)、測量過程的

6、隨機誤差等對辨識精度均有影響,合理選擇這些參數(shù)可使當量誤差出色地逼近機床的實際誤差,這就從模型仿真角度說明了所建理論鏈是正確合理的。
　　本文最后在 XYFZ三軸數(shù)控銑床上進行了實驗研究來驗證本文所提誤差測量方法的可行性?；跇蛹⒘算姶?X導(dǎo)軌廣義直線度的數(shù)學解析,通過樣件的實際加工與測量獲得了基于樣件的 X導(dǎo)軌廣義直線度誤差;在實驗中采用激光跟蹤儀實時測量X導(dǎo)軌運行過程中的實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