[误差建模及精度保证方法]几何误差贡献值影响下五轴数控机床运动轴误差灵敏度分析方法

针对现有误差元素灵敏度分析与后续误差补偿关联性不强的问题,建立运动轴几何误差贡献值模型并提出运动轴几何误差灵敏度分析方法,以获得本身几何误差对机床精度有很大影响的关键运动轴。结合指数积理论和坐标系微分运动理论建立基于误差敏感矩阵的运动轴几何误差贡献值模型,各运动轴几何误差贡献值相加得到机床综合误差模型;计算各运动轴误差权重分量和误差综合权重实现运动轴误差灵敏度分析,选择误差综合权重平均值最大的运动轴为机床关键运动轴,并对关键运动轴的误差补偿方法进行分析讨论。最后,在北京精雕集团的五轴加工中心上进行仿真实验验证。研究结果表明：所建立模型和所提出分析方法是有效的,且只补偿关键运动轴的几何误差贡献值能有效地提高五轴机床加工精度。     

基于几何误差灵敏度的卧式数控镗床运动精度分析

提出了一种基于几何误差灵敏度的卧式数控镗床运动精度分析方法。针对典型卧式镗床进行几何误差溯源分析,确定影响机床X,Y,Z轴运动精度的21项几何误差,基于多体系统运动学理论,考虑机床各典型体间误差耦合作用机制,建立机床的空间误差模型。借助激光干涉仪对某大型卧式数控镗床进行几何误差检测试验,将检测结果输入九线法几何误差辨识模型,分离该机床的21项几何误差,并对各几何误差进行多项式拟合,据此分析该机床的空间误差场的分布特征,并针对各几何误差项进行灵敏度分析。结果表明:X,Y轴关键误差因素为位移误差,Z轴关键误差因素为直线度误差。通过对各关键因素进行精度补偿,实现该机床空间误差场分布的优化分析。对比分析表明,补偿后的空间误差场在各线性轴分布趋于均匀,最大误差从0.056 4 mm减小为0.027 8 mm,机床的空间运动精度得到明显提高。该分析方法可为此类型机床运动精度分析及空间误差补偿提供理论依据。     

一种新的机床位置误差灵敏度分析方法

本文提出一种新的机床位置误差灵敏度分析方法。首先基于多体理论和齐次变换矩阵建立了五轴龙门机床位置误差模型。其次通过截断傅里叶技术来表征与位置有关的几何误差参数,每个误差参数对位置误差的灵敏度值可表示为其傅里叶幅值平方。然后归一化处理,关键的几何误差参数为第2,3,8,15和26项误差。通过与传统的Sobol法对比,仿真结果表明两种灵敏度分析方法辨识的关键几何误差相同且灵敏度值相近。此外,本文提出的灵敏度分析计算效率优于传统Sobol法。最后为了验证关键几何误差的有效性,提出了一个关于机床关键几何误差的补偿实验。实验结果表明,补偿关键几何误差后机床的加工精度提升了48%。因此,本文提出的机床位置误差灵敏度分析方法是可行的和有效的。     

一种基于新灵敏度指标的五轴数控机床关键几何误差辨识方法

精度设计是提升机床加工精度的有效途径,而准确辨识关键几何误差并为其合理分配权重是实现精度设计的前提条 件,因此,提出了一种识别关键几何误差的灵敏度分析方法。 首先基于多体系统理论建立了机床加工误差模型,并基于该模型 构建了灵敏度分析模型,同时定义了一种新的灵敏度指标。 然后,通过仿真分析明确了第 10、17、22、24 和 37 项几何误差为关 键几何误差,同时实现了对各项几何误差分配权重。 最后,通过补偿关键几何误差和全部几何误差的方式对“ S”形检测试件进 行加工并对比其轮廓度误差,对比结果显示通过两种补偿方式获得的平均轮廓度误差在 3 条检测线上的差值很小,分别为 0. 005、0. 004 和 0. 006 mm,因此证明了提出的灵敏度分析方法的正确性。     

转台-摆头式五轴机床几何误差测量及辨识

为降低转动轴几何误差对转台-摆头式五轴机床精度的影响,提出了基于球杆仪的位置无关几何误差测量和辨识方法。基于多体系统理论及齐次坐标变换方法建立了转台-摆头式五轴机床位置无关几何误差模型,依据旋转轴不同运动状态下的几何误差影响因素建立基于圆轨迹的四种测量模式,并实现10项位置无关几何误差的辨识。利用所建立的几何误差模型进行数值模拟,确定转动轴的10项位置无关几何误差对测量轨迹的影响。最后,采用误差补偿的形式实验验证所提出的测量及辨识方法的有效性,将位置无关几何误差补偿前后的测量轨迹进行比较。误差补偿后10项位置无关几何误差的平均补偿率为70.4%,最大补偿率达到88.4%,实验结果表明所提出的建模和辨识方法可用于转台-摆头式五轴机床转动轴精度检测,同时可为机床精度评价及几何精度提升提供依据。     

双转台五轴数控机床误差实时补偿

以双转台五轴数控机床为对象,建立各移动轴和旋转轴运动的数学模型,以工件坐标系为基础坐标系,应用齐次坐标系变换理论,推导任一时刻各轴运动在工件坐标系中的位置误差数学表达式.针对五轴机床的移动轴和旋转轴同时运动存在耦合的情况,提出一种分步实施的解耦补偿方法,即在实施误差补偿时首先进行姿态误差补偿,通过旋转轴的旋转运动将工件的实际姿态调整到与理想姿态相同,然后通过移动轴的平移运动进行位置误差补偿,并相应建立五轴机床误差补偿数学模型.通过仿真分析和对曲面零件的实时补偿加工试验,明显提高加工精度,并有效避免直接进行补偿加工过程中可能带来的运动干涉情况,从而验证该五轴机床误差补偿数学模型及其实时补偿的可行性和有效性.     

五轴数控机床综合误差补偿解耦研究

五轴数控机床具有3个移动副和2个转动副,能对复杂曲面实现高精度加工,然而其误差补偿运动却比较复杂,因为其各运动副的误差补偿运动量与刀具和工件间的误差值(位置及方向误差)间存在一定的耦合关系。通过分析五轴机床的运动特点,用齐次坐标变换的方法建立了各运动副坐标系间的变换矩阵。基于小误差补偿运动假设,分析了误差运动和补偿运动间的相互关系,对五轴机床各运动副的位置及方向误差补偿运动进行了解耦,建立了可以进行空间五个误差补偿量计算的数学模型,为五轴机床的误差实时补偿提供了理论基础。     

一种五轴数控机床的综合误差建模与补偿

研究五轴数控机床的综合误差建模与补偿方法。系统地分析了机床几何误差与热误差,并提出了其新的分类方法和一种直观形象的杆、副误差矩阵描述方法,根据这种误差描述方法建立了五轴数控机床的综合误差模型,最后根据矩阵微分法建立了机床综合误差补偿模型。     

数控机床回转轴误差辨识及补偿研究

为了大幅提升数控机床回转轴的运动精度,从而满足当代数控系统对其高精度的要求,针对机床回转轴的空间几何误差开展了深入研究,提出了可以有效辨识平动轴空间几何误差的便捷方法,并建立了回转轴空间几何误差的辨识模型;针对机床回转轴定位误差的特性,提出了可以实现有效补偿的增量式误差补偿原理,并建立了相应的误差补偿模型。经验证,所提出的回转轴误差辨识法和增量式误差补偿原理不仅理论正确,而且可以大幅地提高机床回转轴的定位精度。     

三轴立式加工中心几何误差对空间定位精度的敏感度分析

精密制造是机床发展的重要目标,精度设计和误差补偿是实现机床精密化的重要方法。基于多体系统理论,利用齐次坐标变换建立三轴立式加工中心空间误差模型;基于空间误差模型,利用矩阵微分法建立误差敏感度数学模型,并通过归一化处理,计算出几何误差敏感度系数,找出关键几何误差项;基于关键几何误差项,通过精度设计提高三轴立式加工中心的空间定位精度。以三轴立式加工中心的工作台中间点为例进行敏感度计算,识别出该点处的关键几何误差,并提出方法提高三轴立式加工中心的空间定位精度。     

四轴数控机床误差综合建模原理及分析

详细分析了机床运动副的误差运动，利用基于齐次坐标变换的方法分析并给出了一台既包含移动副又包含转动副的四轴数控机床的误差综合数学模型，此模型中不仅包含了机床的几何误差且包含了热误差共计46个误差元素。本数学模型的建立方法可为其它类型的四轴及各种五轴数控机床的误差综合建模分析及误差补偿提供参考。     

基于球杆仪的五轴数控机床误差快速检测方法

几何误差是五轴数控机床重要误差源,针对传统测量方法仪器昂贵、测量周期长问题,提出基于球杆仪的五轴数控机床几何误差快速检测方法。对于机床的平动轴误差,利用多体系统理论及齐次坐标变换法,建立平动轴空间误差模型,通过球杆仪在同一平面不同位置进行两次圆轨迹,辨识出4项平动轴关键线性误差;针对五轴机床的转台和摆动轴,设计基于球杆仪的多条空间测试轨迹,完整求解出旋转轴12项几何误差。实验结果显示,所提方法获得转角定位误差与激光干涉仪法最大误差为0.001 8°,利用检测结果进行机床空间误差补偿,测试轨迹偏差由16μm降至4μm,为补偿前的25%,验证了方法的有效性。提出的五轴机床几何误差检测方法方便、便捷,适用于工业现场。     

工件分特征下的五轴数控机床关键几何误差分析与补偿方法

提出了工件分特征下的五轴数控机床关键几何误差分析与补偿方法,将复杂工件进行特征分解,通过灵敏度分析辨识工件分特征下的关键几何误差并补偿,从而提高工件整体加工精度。以某一复杂工件为例,首先,将其分解为平面、斜面、圆柱和圆锥台四个典型特征;然后,基于灵敏度分析分别辨识出各典型特征对应的关键几何误差;最后,分特征地进行误差补偿。在AC双转台五轴数控机床上进行了实验验证,实验结果表明,辨识得到的关键几何误差灵敏度系数之和占比均大于90%,补偿后工件四个典型特征的加工精度提高了20%~30%。研究结果表明,所提方法能有效辨识不同工件分特征下的关键几何误差,从而提高复杂工件的加工精度。     

五轴数控机床几何误差建模与分析

基于多体系统基本理论推导出相邻体理想坐标变换以及误差变换矩阵并通过拓扑方法拓展到任一体理想坐标及误差变化公式。进而应用到五轴机床对应的零部件进行机床几何误差建模。最后推导出刀具形成点与工件被加工点的空间位置误差模型。并结合实验探究五轴数控机床37项误差参数对实际运动中的刀具形成点的位置误差影响,为之后的误差补偿和机床精度预测奠定理论基础。     

五轴数控成形磨齿机几何误差—齿面误差模型及关键误差识别

为了揭示成形磨齿机床几何误差与齿面误差间的定量映射规律,识别影响磨齿精度的关键几何误差,提出一种结合几何误差—齿面误差模型与Morris全局敏感性分析的关键误差识别方法。针对五轴数控成形磨齿机,首先运用齐次变换矩阵建立刀具空间误差模型,并基于共轭磨削原理构建几何误差—齿面误差模型;然后采用Morris全局敏感性分析法量化误差敏感性,识别出关键误差和敏感部件;最后通过关键误差修正仿真和补偿加工实验进行有效性检验。结果表明,该方法能够有效识别磨齿关键误差,而且优于基于刀具空间误差模型的现有识别方法,可为后续敏感部件的精度强化和关键误差精确补偿提供可靠的理论依据,并高效提升磨齿精度。     

五轴数控机床几何误差建模方法研究

五轴数控机床是实现工件复杂表面精密加工的重要设备,而机床本身精度是保证加工精度的重要前提。以一台大型五轴数控加工机床为研究对象,分析各项误差,应用多体系统运动学理论,建立移动轴与旋转轴的几何误差数学模型,推导出刀具相对工件坐标系的位置与姿态误差表达式,为误差补偿提供精确数学模型,提高机床加工精度。     

基于商空间的五轴数控机床几何误差标定与补偿算法

提出了一种基于商空间和指数积的五轴数控机床几何误差标定与补偿算法。首先,利用提出的机床几何误差标定模型可以快速、准确识别出机床各运动轴的实际旋量坐标,采用商空间法去除伴随变换冗余参数,避免了旋量坐标重复正交化和归一化。其次,采用基于微分法的雅克比矩阵补偿算法,可以在不求取机床运动学逆解的情况下,对机床几何误差进行补偿。最后,通过MATLAB仿真对误差标定模型和补偿算法模型进行验证。     

基于多体系统理论的数控机床加工精度几何误差预测模型

针对多轴联动数控机床加工精度误差补偿问题,从分析数控机床误差产生机理和建立精度误差补偿模型的角度,提出了基于多体系统理论的数控机床加工精度几何误差预测模型。分析了B-A摆头五轴龙门数控机床的拓扑结构关系、低序体阵列、各典型体坐标变换,推导出了B-A摆头五轴龙门数控机床精度几何误差预测函数。采用平动轴十二线法误差参数辨识算法,测量并计算了某B-A摆头五轴数控机床21项空间几何误差,为精度几何误差预测函数提供有效参量。该几何误差参数建模方法,对不同拓扑结构和运动关系的数控机床具有通用性,为后续数控机床误差动态实时补偿并提高切削加工精度提供了理论依据。     

符合阿贝原则的数控机床几何误差建模

为提高现有数控机床空间误差分析方法的准确度,本文基于阿贝原则对齐次转换矩阵(HTM)几何误差补偿模型进行优化。首先,推导出XYFZ型三轴机床适用的HTM几何误差补偿模型并给出模型正确使用的前提条件;然后,基于阿贝原则分析了三轴机床的空间误差传递机理,指出阿贝误差对机床定位精度的影响,给出理论计算公式并在机床运动轴上进行实验验证;最后,基于阿贝原则和布莱恩原则对现有的HTM几何误差补偿模型进行优化,采用该模型拟合体对角线空间误差,并与实测机床体对角线误差进行对比验证。现有HTM几何补偿模型可将机床空间误差由41.15μm补偿至16.37μm,补偿率为60.22%;优化后的补偿模型可将机床空间误差补偿至5.32μm,补偿率为87.07%,提高了26.85%。实验结果表明,优化后的补偿模型更加合理,进一步改善了空间误差的补偿精度。     

超精密五轴机床的几何误差建模和灵敏度分析

基于设计出超精密机床的目的,研究了机床的几何误差建模和误差的灵敏度分析。基于刚体运动学和齐次变换矩阵(Homogeneous Transformation Matrix,HTM)建立了RTTTR配置的超精密五轴机床的几何误差模型,模型涉及37个误差分量。分别对37个误差分量进行了几何误差的灵敏度分析,分析结果将应用于超精密五轴机床的设计与制造上。