五轴数控机床几何与热致空间误差检测辨识及模型研究

【摘要】数控机床的加工精度是衡量数控机床工作性能的重要指标。研究如何便捷、快速、精确地获得数控机床空间误差,对机床误差补偿、提高加工精度具有举足轻重的意义。本学位论文结合国家自然科学基金项目“复合机床多主轴热亲近理论及空间耦合热误差协同补偿基础技术研究”(项目编号：51175461)和“高档数控机床与基础制造装备”国家科技重大专项“基于敏感点监测的闭环动态综合补偿技术”(项目编号：2009ZX04014-026),以五轴数控机床为分析对象,对机床的空间误差检测和模型技术展开深入探究。本论文首先在积极借鉴、吸收相关理论和研究成果的基础上,展开了五轴机床空间误差检测方法的研究,提出了基于双路激光的五轴机床空间误差检测方法、基于球杆仪组合路径的旋转轴空间误差检测方法和基于球杆仪五轴机床主轴热误差检测方法；然后,进行了基于NURBS的数控机床空间误差曲线曲面模型的研究；最后,结合机床空间误差模型和误差检测结果,展开了典型五轴数控机床空间误差补偿应用的实验研究。论文主要研究内容和成果概括如下：在介绍机床局部坐标系与空间误差定义的基础上,建立了基于多体系统理论的数控机床空间误差通用模型；进而推导了RRTTT型五轴数控机床的空间误差模型；提出了采用微分算子对误差变换矩阵进行分解,大大简化了机床空间误差模型。提出了基于双路激光的五轴数控机床空间误差检测辨识方法(包括平动轴和旋转轴的空间误差检测)；并展开了双路激光的五轴机床空间误差的测量实验。实验表明：采用双路激光对机床单个平动轴同时测量,可避免线性方程组求解步骤,简化了辨识过程；采用双路激光和转台仪的机床旋转轴测量方法,通过简单的代数运算便可辨识出旋转轴的6项误差参数。展开了基于球杆仪的机床旋转轴空间误差检测辨识的研究,提出了采用组合路径测量方法,简化误差辨识过程。介绍了组合路径测量原理,推导了轴向跳动误差、径向误差、转角定位误差、偏摆角和俯仰角误差的辨识过程。完成了双转台五轴机床旋转轴A轴和C轴的空间误差测量实验,通过对比激光测量结果,验证了组合路径测量方法的可靠性。提出了基于球杆仪的五轴数控机床主轴热误差检测辨识方法。借助球杆仪的空间轨迹测量功能,通过一次安装,便可完成两个旋转轴的测量路径；采用最小二乘方法对测量数据进行处理,辨识出主轴的热误差,包括轴向热伸长和另外两个方向的热漂移。结合ISO230-3标准中五点法的对比实验,验证了所提球杆仪主轴热误差测量方法的可行性和有效性。建立了基于NURBS的数控机床空间误差曲线曲面数学模型。提出采用最小二乘方法反求NURBS曲线曲面的控制点；分析了参数化方法、控制点数、节点矢量和权因子等对NURBS曲线曲面拟合精度的影响；提出了采用改进遗传算法对NURBS的节点矢量和权因子进行优化,建立机床空间误差的数学表达模型；并采用折半查找法对误差参数的数学模型进行查找,实现快速获取机床工作空间任意位姿的空间误差。提出了NURBS曲线曲面数学表达模型在五轴机床空间误差的具体应用。结合机床空间误差模型,研究了误差测量辨识结果和空间误差曲线曲面数学表达模型在误差补偿的应用。通过引入基于雅可比矩阵的机床空间误差的补偿策略,提出结合微分算子的空间误差简化模型和机床各运动轴微分运动的雅可比矩阵,求解机床各运动轴的误差补偿量,进而修正机床实际执行值,最终实现机床空间误差的补偿。通过仿真和实验验证了该补偿策略的可行性；并通过五轴加工中心的加工补偿实验,验证了空间误差检测辨识方法的有效性以及误差曲线曲面数学表达模型的通用性和高效性。
【作者】何振亚；
【导师】傅建中；陈子辰；
【作者基本信息】浙江大学，机械制造及其自动化，2014，博士
【关键词】五轴数控机床；空间误差；误差检测；双路激光；组合路径；曲线曲面模型；误差补偿；

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