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。     

数控机床转台位置相关几何误差的快速测量与辨识

为快速辨识数控机床转台位置相关几何误差,提出一种基于球杆仪的转台位置相关几何误差快速测量辨识方法.首先,基于齐次坐标变换建立转台位置相关几何误差模型,得到球杆仪杆长变化量与几何误差的关系;其次,设计球杆仪六次锥形安装方式,推导出误差辨识矩阵,记录球杆仪杆长变化量,快速辨识出转台位置相关几何误差,并提出一种球杆仪安装误差...     

基于样件测试法的五轴机床误差辨识方法

为了提高五轴机床误差模型的预测能力,提出一种基于样件测试法的五轴机床误差间接测量方法,并完成了阶梯轴样件的优化设计.通过对机床空间误差模型进行反求,建立样件加工误差与机床不同误差项之间的函数解析关系,进而得到了机床不同加工状态的动态误差.通过试验验证了该方法的可靠性.结果表明:该方法与激光测量结果吻合较好,可以提高五轴...     

基于二阶矩误差模型的五轴机床精度分配优化设计

在机床精度优化设计过程中,传统精度分配中往往将误差视为常量,而忽略误差的分布情况.针对此问题,在分析传统精度分配方法基础上,提出一种基于二阶矩误差模型的五轴数控机床精度优化设计方法.定义二阶矩阵运算规则,用二阶矩阵表达机床精度指标,建立带分布的五轴数控机床误差模型,应用遗传算法对精度指标进行多目标优化求解,得到Pareto最优解集.以C100P五轴数控机床为例,验证本优化设计方法的可行性.与传统精度分配方法相比,在保证机床精度要求前提下,新方法能够降低机床装配成本.     

五轴数控机床几何误差分析与建模

首先对五轴数控机床几何误差进行分析和描述并画出五轴数控机床拓扑结构图,采用特征变换原理把各运动体间的相互关系用变换矩阵来表示,将各实体间复杂的运动关系抽象为数学矩阵间的关系,得出实际相邻体间4×4阶齐次特征变换矩阵及其与特征之间的相互对应关系,得出五轴数控机床的误差模型表达式.     

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.     

基于多体系统理论的精密立式加工中心精度建模与预测

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\     

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。     

双转台五轴数控机床主轴热误差测量与建模

为了测量数控机床实际切削加工过程中主轴的热误差,并优化热误差模型的输出,提出利用热测试件测量机床主轴热误差的方法,并利用误差特性分离出热误差。针对机床热误差建模中温度测点优化选择的问题,提出基于K-means++算法和相关系数法相结合的方法选取温度敏感点,采用K-means++算法对所有温度测点进行聚类,相关系数法计算各个温度变量与主轴热误差之间的相关性,从而确定温度敏感点,结合分离出的热误差建立主轴热误差多元线性回归模型。在VMC-C50双转台五轴数控机床上对该方法进行试验验证,结果表明,温度测点的数量由8个减少为2个,模型的预测精度及鲁棒性得到有效提升。     

总线式数控机床动态误差测量及辨识

多轴联动高速加工中，运动参数引起的机床动态误差是产生零件加工误差的重要因素。针对EtherCAT总线型数控机床，以球杆仪QC20-W和工业以太网探头工具ET2000为测量工具，建立了机床动态误差和静态误差模型。首先基于齐次坐标变换理论建立球杆仪杆长变化量与机床动、静态误差的数学关系；然后根据这两类误差的不同特性，构建了以坐标位置表达的静态误差多项式及以速度、加速度的角频率及相位表达的动态误差低阶正弦多项式。并采用小波变换针对位置信息中的噪声进行降噪处理。最后采用最小二乘理论求解误差表达式中的未知系数。结果表明，指令速度为动态误差的主要因素，加速度为次要因素。在加速度不变，指令速度由20 mm/s依次上升至40、80 mm/s时，动态误差占总误差的比例由2.13%增加到11.74%、49.15%；指令速度不变，加速度由200 mm/s²上升至800 mm/s²时，动态误差占比由22.72%上升至26.83%。     

基于元动作单元的数控机床运动精度映射

为使数控机床精度设计有定量的理论数值供参考,从运动的角度出发,建立了基于元动作单元的数控机床运动精度映射模型. 采用“功能(Function)-运动(Motion)-动作(Action), FMA”的结构化分解方法得到元动作单元,并结合多体系统理论对数控机床拓扑结构进行了描述；运用旋量理论对数控机床误差建模,建立数控机床空间运动误差模型,并用螺旋理论得到空间运动误差综合值；以制造成本、空间运动误差螺距及其大小为设计准则,构建了运动精度映射模型,并应用NSGA-Ⅱ遗传算法对数控机床运动精度进行映射. 对某国产加工中心进行运动精度映射求解,说明了该模型的可行性和有效性.     

多体系统理论的数控滚齿机综合空间误差建模

为提高数控滚齿机床的加工精度,结合自行设计的数控滚齿机床,利用近年来研究数控机床误差建模的新方法—多体系统理论对六轴滚齿机床进行几何误差分析,建立综合空间误差模型,得到综合空间误差变化规律。为利用数控误差补偿方法提高滚齿加工精度提供理论支持。     

Digital Manufacture Techniques for Large Hydro Turbine's Blades

Blades are one of the vital components and most difficulty in manufacturing of large hydro turbines.In order to cost-effectively and productively manufacture these kinds of blades,a series of digital techniques in manufacturing have been devel- oped,which includes digital design of hydro turbine blades based on manufacture' requirements,Computer-aided location and the machined error evaluation by using 3-dimensional digitized measuring,tool path generation strategy to meet requirements of en- hancing machining efficiency and controlling deviation in NC machining,tool path generation and NC machining simulation by es- tablishing a virtual NC machining environment for blades,and reasonable and feasible strategy and the systematic scheme for man- ufacturing of large blades by using 5-axis simultaneous CNC machining.The developed digital manufacture techniques have been successfully applied in manufacturing of both the large Kaplan and Francis hydraulic turbine blades;it shows that higher efficiency and the better surfaces finish accuracy can be achieved.     

刀具螺旋槽磨削加工及其数控编程

刀具螺旋槽磨削已成为通用的成型方法,需要通用的数控加工程序。本文根据刀具螺旋槽成型的数学模型及磨削方法,详述其数控加工软件的编制步骤。以加工钻头螺旋槽为例,该数控程序已在WALTER五轴CNC联动磨床上运行通过。     

刀具螺旋槽磨削加工及其数控编程

刀具螺旋槽磨削已成为通用的成型方法，需要通用的数控加工程序。本文根据刀具螺旋槽成型的数学模型及磨削方法．详述其数控加工软件的编制步骤。以加工钻头螺旋槽为例．该数控程序已在WALTER五轴CNC联动磨床上运行通过。     

大型水轮机转轮的计算机辅助制造技术

转轮是由一系列叶片和回转特征的零件组成。叶片是大型水轮机中最关键和最难制造的部件之一。为了高效制造这类叶片和有效地控制制造成本,研究开发出了一系列的计算机辅助叶片制造技术,包括：基于水轮机叶片制造要求的数字化设计、通过三维数字化测量的计算机辅助定位及误差评估、提高数控加工效率并能有效控制加工误差的刀位轨迹计算策略、通过建立虚拟数控加工叶片的仿真环境来验证数控加工的刀位轨迹和加工过程、以及切实可行并系统化的大型叶片五轴联动数控加工工艺。研究开发的数字化制造技术已成功用于大型轴流式和混流式水轮机叶片制造中,实际表明既可提高加工效率又能获得更好的叶片曲面加工精度。     

Development of practical-postprocessor for 5-axis machine tool with non-orthogonal rotary axes

In order to develop a practical postprocessor for 5-axis machine tool, the general equations of numerically controlled (NC) data for 5-axis configurations with non-orthogonal rotary axes were exactly expressed by the inverse kinematics, and a windows-based postprocessor written with Visual Basic was developed according to the proposed algorithm. The developed postprocessor is a general system suitable for all kinds of 5-axis machines with orthogonal and non-orthogonal rotary axes. Through implementation of the developed postprocessor and verification by a cutting simulation and machining experiment, the effectiveness of the proposed algorithm is confirmed. Compatibility is improved by allowing exchange of data formats such as rotational total center position (RTCP) controlled NC data, vector post NC data, and program object file (POF) cutter location (CL) data, and convenience is increased by adding the function of work-piece origin offset. Consequently, a practical post-processor for 5-axis machining is developed.     

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。     

Circular Interpolation Algorithms of 5-Axis Simultaneous CNC System

Spatial circular arc can be machined conveniently by a 5-axis NC machine tool.Based on the data sampling method,circular interpolation in two-dimensional plane is discussed briefly.The key is to solve the problem of circular center ex- pressed in the workpiece coordinate system by means of the transformation matrix.Circular interpolation in three-dimensional space is analyzed in detail.The method of undetermined coefficient is used to solve the center of the spatial circle and the method of coor- dinate transformation is used to transform the spatial circle into the XY-plane.Circular arc in three-dimensional space can be ma- chined by the positional 5-axis machining and the conical surface can be machined by the continuous 5-axis machining.The velocity control is presented to avoid the feedrate fluctuation.The interpolation algorithms are tested by a simulation example and the inter- polation algorithms are proved feasible.The algorithms are applied to the 5-axis CNC system software.     

锥形双螺杆挤出机螺杆转子的数控制造技术研究

一对相互啮合的锥形螺杆转子是锥双螺杆挤出机的核心部件，其加工精度直接影响到挤出机性能.传统加工方法的加工精度和加工效率都较低，所加工螺杆转子的啮合特性和互换性都较差.为了提高挤出机的性能水平，在深入研究锥双螺杆几何特征的基础上，提出了一种利用柱形棒铣刀的五轴联动数控铣削螺杆转子的新型数控铣削制造方法，设计制造了五轴联动螺旋槽专用数控铣床，并且设计开发了与其相配套的螺杆数控加工自动编程系统.该项研究成果提高了锥双螺杆的加工水平，具有显著的工程意义.