五軸數(shù)控機床空間誤差測量、建模與補償技術(shù)研究.pdf

1、五軸機床相比于三軸機床，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間。然而，兩個旋轉(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，導致了五軸機床有較大的空間誤差。本研究旨在首先測量和辨識五軸機床平動軸和旋轉(zhuǎn)軸的所有41項幾何誤差元素，然后對機床的空間誤差建立數(shù)學模型，最后對機床的空間誤差進行補償，從而提高機床的整體精度。
　　本研究獲得了國家自然科學基金、國家科技重大專項、國家重大科研儀

2、器研制項目和國家留學基金委高水平項目等課題的資助；以加拿大英屬哥倫比亞大學(UBC) Yusuf Altintas教授實驗室的Quaser UX600雙轉(zhuǎn)臺五軸數(shù)控機床為主要研究對象；以沈陽機床廠的一臺雙轉(zhuǎn)臺五軸數(shù)控機床為輔助研究對象；研究并提出了旋轉(zhuǎn)軸的與位置無關(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)的測量辨識方法，基于螺旋理論提出了五軸機床空間誤差的建模和補償策略，建立了五軸機床空間誤差統(tǒng)一模型，基于虛擬CNC開發(fā)了五軸機床空間誤差補償仿真平臺。
　　本文的主要研究內(nèi)容有：
　　(1)研究了五軸機床旋轉(zhuǎn)軸的誤差測量方法，提出了基于球桿儀測量和辨識旋轉(zhuǎn)軸誤差的三種測量方法：單獨辨識PIGEs、單獨辨識PDGEs以及同時辨識PIGEs和PDGEs。在PIGEs的單獨辨識中：一共有3種測量模式，前

4、兩種測量模式中始終保持平動軸靜止，僅有兩個旋轉(zhuǎn)軸單獨轉(zhuǎn)動，第三種模式中設(shè)計了A軸和C軸一起轉(zhuǎn)動而實現(xiàn)的圓軌跡。通過三種模式的測量得到8項PIGEs的解析解；在PDGEs的單獨測量中：針對每一個旋轉(zhuǎn)軸提出了5種測量模式，在這些模式中保持平動軸靜止，僅有待測的旋轉(zhuǎn)軸運動，從而排除了平動軸引入的誤差；測量過程中，球桿儀始終保持對一個測量方向敏感，其作用可認為是單自由度的高精密位移傳感器；基于測量結(jié)果，解耦得到兩個旋轉(zhuǎn)軸除滾轉(zhuǎn)誤差外的10項PD

5、GEs。在同時辨識 PIGEs和PDGEs的測量中：給出了球桿儀切向、徑向和軸向的測量模式和該模式下PIGEs和PDGEs同時辨識的解析解。試驗結(jié)果證實了誤差辨識的準確性。
　　(2)研究了五軸機床的空間誤差，建立了基于螺旋理論的五軸機床空間誤差模型和五軸機床的空間誤差統(tǒng)一模型。螺旋理論可有效地對五軸機床正運動學和逆運動學進行建模。另外，通過引入誤差旋量可有效地對各項誤差元素進行建模；基于螺旋理論得到的空間誤差模型與常規(guī)的通過齊次

6、坐標變換得到的結(jié)果完全相同。在空間誤差統(tǒng)一模型中，通過設(shè)計一種新的奇異函數(shù)，該統(tǒng)一模型可適用于4種常見類型的三軸加工中心和12種類型的五軸機床；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床平動軸和旋轉(zhuǎn)軸對應(yīng)的類型序號，即可得到最終的空間誤差模型，不需要任何人為操作。最后簡略描述了機床誤差元素的建模方法，針對定位誤差和直線度誤差等提出了新的建模方法。
　　(3)研究了五軸機床的空間誤差的補償方法，利用螺旋理論逆

7、運動學計算提出了基于迭代法的五軸機床空間誤差補償策略，該補償方法能夠有效地對五軸機床空間誤差進行補償。研發(fā)了基于虛擬CNC的五軸空間誤差補償仿真平臺。在選擇對應(yīng)機床結(jié)構(gòu)的前提下，輸入所有誤差元素的擬合模型，即可預(yù)測機床在當前刀具路徑在不同位置處的空間誤差值，并同時計算補償后的各軸的運動量，從而實現(xiàn)對空間誤差的補償仿真。該仿真平臺基于螺旋理論進行開發(fā)，適用于任意結(jié)構(gòu)的五軸機床，并有效地對五軸機床的空間誤差進行預(yù)測和補償。虛擬CNC的仿真結(jié)