串并混联机床几何误差建模与实验

以多体系统理论为基础,研究了串并混联机床的几何误差。考虑各运动轴的定位误差、直线度误差、角度误差以及垂直度误差的综合作用,提出一种机床综合误差建模方法。通过对该机床各部件拓扑结构进行抽象化描述,推导出混联机床两相邻体间相对运动的特征矩阵,建立了混联机床的整机综合误差模型。利用激光干涉仪对X、Y轴多项几何误差进行测量,并将测得的几何误差带入综合误差模型。通过分析所测的各项几何误差以及综合误差分布和演变规律发现:X、Y轴定位误差对整机综合误差的影响最大,直线度误差次之,角度误差影响最小;在精度要求不高的情况下,角度误差对综合误差的影响可忽略。     

机床空间误差完备建模方法与NC代码优化补偿技术

空间误差是机床几何误差元素综合作用的结果,但现阶段空间误差模型大多存在缺失若干几何误差元素的问题,直接影响着机床空间误差的预测精度。为此,提出一种机床空间误差完备建模方法,以多体系统理论及齐次坐标变换为分析研究手段,在充分考虑体间坐标系初始位置关系及原始误差特征矩阵的基础上,确保模型包含机床全部几何误差元素。进而,针对传统基于NC代码的空间误差补偿技术中存在残差的局限性,提出将NC代码坐标的逆向叠加过程转化为最优化设计问题,并借助遗传算法对该问题进行求解计算,达到消除空间误差补偿残差的目的。最终,以某型卧式加工中心为研究对象进行计算分析与实验验证,结果表明：依据所提方法构建的空间误差完备模型包含加工中心全部21项几何误差元素,空间误差预测结果较精确;所提NC代码优化补偿技术使加工中心空间定位精度得到进一步提升,补偿后定位精度增幅最高达90.92%。研究成果可为数字制造装备精度问题探索提供较重要的理论与工程技术支撑。     

一种基于公差的机床导轨几何误差预测方法

在机床的初始设计阶段,只有机床关键零部件的公差已知。由于机床导轨几何误差对机床精度设计起到关键的指导作用,而机床设计者们只有利用设计经验才能获得几何误差。因此,在新机床设计初期,如何准确预测机床几何误差是十分必要的。本文基于机床导轨的各项公差,提出一种预测几何误差的方法。首先,采用截断的傅里叶级数对导轨表面形貌误差进行拟合建立了机床导轨公差与表面形貌误差之间的映射关系,同时建立了表面形貌误差与几何误差之间的映射关系,因为表面形貌误差在公差和几何误差之间起到桥梁作用,因此建立了基于导轨公差的几何误差预测模型,接着对该预测模型进行仿真分析,结果表明预测的几何误差（定位误差,y向直线度误差,z向直线度误差,滚摆误差,颠摆误差和偏摆误差）分别为17.12μm, 56.57μm, 70.71μm, 28.28μrad, 141.42μrad, 113.14μrad。最后,利用双频激光干涉仪对导轨几何误差进行测量,同时利用傅里叶曲线拟合方法对测量结果进行拟合,拟合结果表明测量的几何误差分别为16.96μm, 59.43μm, 68.63μm, 28.65μrad, 135.40μrad, 111.58μrad。对仿真结果和测量结果进行差值比较,发现残差值最大不超过几何误差值的10%,因此在机床的设计阶段该方法可以有效地预测几何误差并代替几何误差的实际测量,为机床设计者提供重要的理论依据。该方法的核心思想可以直接应用到其他类型导轨几何误差的预测。     

五轴机床旋转轴几何误差分析与补偿

五轴机床旋转轴之间装配所导致的位置无关几何误差（PIGEs—Position independent geometric error）是决定机床精度的关键因素,如何量化PIGEs对位姿精度的影响程度以及误差项之间的耦合作用强弱,从而合理地确定补偿值的权重系数是目前机床误差补偿技术所关注的热点问题。为降低五轴机床装配导致的PIGEs对机床精度的影响,首先,基于多体系统理论及齐次坐标变换方法建立了混合式五轴机床几何误差综合模型,表征了空间误差向量与几何误差项之间的映射关系。其次,考虑几何误差的分布特性,引入Morris全局灵敏度分析方法量化几何误差的作用效果及误差参数间的耦合强弱,通过灰色关联度分析表征误差的敏感性系数与位置向量、姿态向量间的关联程度,基于分析结果确定位置无关几何误差补偿值的权重系数。最后,以摆头-转台为特征的混合式五轴机床为例,进行基于球杆仪(DBB-Double ball bar)的几何误差测量辨识实验,利用辨识值进行虚拟圆锥台轨迹测量、误差补偿和复杂曲面零件加工实验。结果显示：十项几何误差对姿态误差的直接作用效果最为明显,利用基于敏感性分析的修正补偿值进行误差补偿后,虚拟圆锥台测量轨迹的半径偏差减小了65.1%,圆度误差降低了58.8%。基于误差分析实施误差补偿后,“S”型工件的轮廓精度平均提升了49.9%,误差补偿结果验证了误差分析结果的准确性和有效性。     

利用动态数据系统处理方法对加工不直度进行计算机的在线予报补偿控制

为在镗削时提高被加工孔的轴线直线度的精度,给出了拖板运动直线度误差和刀具回转轴线运动误差之间的关系,并研制利用激光测量装置在线同时测量拖板运动不直线度五个误差分量△Z,△Y,α,β,γ。利用动态数据系统(D.D.S.)处理方法对所得的数据进行系统建模,得到该动态系统最佳模型——四阶自回为模型AR(4)。利用微处理机对加工直线度误差进行向前一步予报及补偿控制,模拟实验结果表明在340毫米长度上镗孔轴线直线度误差在Y,Z两方向上分别从8微米和15微米缩减到2微米和9微米,校正效果显著。该方法可用于计算机数字控制机床及加工中心。     

数控装备误差补偿关键技术研究

制造业虚拟工厂模式可以降本增效、优化服务质量,是应对全球化激烈竞争的不二选择。在该模式下,为不断提升产品质量,主要研究与之生产过程相关的数控装备精度提升关键技术即误差补偿关键技术,具体包括误差源分析、误差建模、误差测量及误差数据处理。由此,以五轴机床为数控装备的代表,找出了影响其精度的45项几何误差;并通过误差建模,构建了这45项误差与五轴机床系统总误差的关系;其次,根据五轴机床误差特性,构建了测量系统,并证实了该系统的有效性;最后,针对测量数据,展开误差处理分析,解决了非测量节点数据问题,同时大幅降低了数据量信息,为快速有效地进行误差补偿奠定了数据基础。     

基于蒙特卡洛模拟的机床关键几何误差溯源方法

为了溯源对加工误差影响最大的机床几何误差,提出了一种基于蒙特卡洛模拟的灵敏度分析方法.运用多体系统理论建立五坐标龙门加工中心加工误差生成模型,并建立了S形样件的直纹面数学模型.推导刀具轨迹到切削点的映射关系,建立了切削曲面模型.根据蒙特卡洛模拟采样机理,对机床加工误差模型进行全局灵敏度分析,获得影响机床加工误差的关键几何误差参数.按照灵敏度分析结果排序,获得影响z向加工误差最大的5项几何误差参数为δ_z(x)、δ_z(y)、δ_z(z)、δ_z(c)、δ_z(b).实验结果表明:5项关键误差参数共同作用对分析区域平均z向加工误差的影响度达88.2%,5项误差参数对机床z向加工误差影响最大,可以为提高五坐标机床的加工精度和设计精度提供指导.     

机床误差敏感度分析方法

目前精度设计依然停留在以设计人员感官经验设计为主的层面,已开展的误差敏感度分析工作无法对精度设计提供直接的量化指导.针对上述问题,展开了机床误差敏感度分析方法的研究.首先,基于多体系统理论建立了数控机床的空间运动误差模型,同时构造了基于零部件公差的几何误差源参数的预估模型,在此基础上,进一步提出了基于部件运动增量的误差敏感度分析方法.以CA摆头五轴数控铣床为研究对象,以"S"试件为加工对象进行试验验证,利用基于机床部件运动增量的误差敏感度分析方法对五轴加工中心进行误差敏感度分析.结果表明:ε_y(x)、q_6~e、ε_x(x)、q_5~e、θ_C~e、ε_(zx)~(45)这6项误差源参数对应的误差敏感度系数之和为0. 95,其他误差源参数的敏感度系数之和仅为0. 05,因此该方法可以有效地识别出对数控机床加工精度影响较大的关键零部件,为提升数控机床的加工精度奠定了理论基础.     

THG400卧式加工中心误差分析与建模

分析THG400卧式四轴加工中心机床结构,基于多体系统理论建立卧式四轴加工中心的综合空间误差模型,分析机床某相邻体间变换特征矩阵运算方法;给出机床综合空间误差模型实际应用的基本思路,建立的综合空间误差模型能全面准确地为数控机床误差补偿的实际应用提供理论基础。     

研磨机床几何误差对金刚石刀面粗糙度的影响

为探究研磨机床几何误差对金刚石刀具后刀面粗糙度的影响规律,建立研磨机床精度与刀具后刀面表面轮廓的数学模型. 借助多体系统理论对研磨机床的误差传递进行建模;基于样条滤波算法建立机床误差与刀具后刀面粗糙度之间的定量关系;分析主轴、摆轴的端面和径向跳动误差以及往复轴的直线度误差对刀具后刀面粗糙度的影响规律. 结果表明:主轴、摆轴和往复轴几何运动误差对刀具后刀面粗糙度的影响占比分别为98.18%、1.59%和0.23%;主轴的端面和径向跳动误差是影响后刀面粗糙度的主要因素,研究结果为研磨机床的设计制造与金刚石刀具研磨工艺的优化提供理论指导.     

大型龙门机床的直线度误差建模及误差补偿

为减小大型龙门数控机床空间直线度误差,提高国产数控机床加工精度,提出基于B样条曲线的空间直线度误差模型及其补偿方法。使用激光干涉仪分别检测三轴龙门数控机床6个方向的直线度误差,应用B样条方法建立空间直线度误差数学模型.利用数控系统外部机械原点偏移功能,应用自主研发的误差实时补偿系统并依据基于B样条曲线的空间直线度误差数学模型,实现对大型龙门数控机床的空间直线度误差补偿.采用两轴联动补偿切削导轨面的方法进行试验,并与多项式模型和斜线插补模型进行对比,结果表明:B样条模型补偿后的导轨直线度最优,检测的导轨各方向直线度误差均减小90%以上,显著提高了大型龙门数控机床加工精度.     

五轴数控机床综合误差建模评价方法研究

针对五轴数控机床精度综合评价分析的需要,提出了一种对机床几何误差和伺服误差进行综合评价的方法。该方法通过机床线性轴和旋转轴联动的方式,利用球杆仪进行圆度误差检测,根据所建立的误差分析评价模型,通过对机床运动过程中的各项误差对机床总误差的影响进行分析得知,随着进给速度的增加,机床的几何误差基本保持不变,而伺服误差在机床总误差中所占比重逐渐增大,当进给速度增大到10 000 mm/min时伺服误差占机床总误差的75%左右。实验结果表明本机床误差评价模型具有较高的准确性,分析结果可为机床的误差补偿提供计算依据。     

圆柱度仪测量基准反向法误差分离技术

对大尺寸试件的圆柱度误差的超精测量,仪器的测量基准误差不能忽略,如何分离出基准本身的形状误差及基准之间的位置误差产长期存在的难题。本文首次提出一种可分离出基准间的平行度误差以及直行基准的形状误差的方法,即反向法,从而较圆满地解决了这一问题。利用该方法建立的模型可用于重要试件圆柱度误差的超精测量中,该技术对超精密车床的研制提供了依据。     

基于圆检验的数控机床几何误差辨识

为了准确地辨识出三轴立式数控机床的各项几何误差,通过多体系统理论建立了三轴立式数控机床圆运动轨迹数学模型,分析了数控机床圆检验中典型误差对机床圆运动轨迹的影响机理.考虑多种几何误差对机床圆检验运动轨迹的影响,提出了一种基于最小二乘法和多项式误差模型的几何误差辨识方法,该误差辨识方法可以辨识出三轴立式数控机床的21项几何误差.数值仿真结果表明:该误差辨识方法具有准确性和可行性.     

三维重建表面几何特征的提取与参数测量计算

对三维重建结果的表面特征进行提取和误差分析,是提高三维目标测量精度的关键步骤. 提出了对三维重建表面几何特征进行提取,并对其进行参数测量计算的方法. 首先利用STL文件对三维重建得到的目标点云数据进行读取、导出并筛选,得到三维重建目标的点云数据,通过迭代计算生成CAD模型表面点云数据. 再提取重建目标与CAD模型的几何特征,计算粗糙度、平行度和平面度等几何参数特征值,进行误差比较和分析,最后将该结果反馈至三维目标重建过程中. 实验结果表明,提出的方法能有效地提取三维重建结果表面几何特征及对表面进行测量计算.     

渥拉斯顿棱镜偏摆对激光外差干涉直线度测量的影响分析

描述激光外差干涉直线度及其位置测量方法;分析由渥拉斯顿棱镜偏摆角引起的测量误差,建立激光外差干涉直线度及其位置测量误差的数学模型,并进行仿真分析研究。结果表明：渥拉斯顿棱镜倾角和摆角引入的测量误差为正弦型误差分量,当渥拉斯顿棱镜偏摆角为1°时,直线度的测量误差有约为100nm,位置误差约为1nm;当渥拉斯顿棱镜的倾角为15″时,直线度测量误差约为700nm,位置误差约为15nm。     

汽车转向器全自动校直机测控系统的开发

介绍了汽车转向器全自动校直机的组成,采用最小二乘法对齿条的直线度误差进行评定,建立了直线度误差的数学模型;研制了全自动校直机测控系统,并用于轻型汽车和轿车转向器齿条的检测和校直.结果表明,利用该系统对齿条直线度进行检测和处理具有速度快、精度高等特点.