数控机床导轨系统关键误差建模与实时补偿研究

发布时间：2017-11-02 23:01

  本文关键词：数控机床导轨系统关键误差建模与实时补偿研究

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【摘要】：建立精确的数控机床综合误差补偿模型是对机床误差修正的前提和基础,现有误差建模与修正方法缺少充分考虑误差相关性和抵偿性影响。堆栈式工作台的导轨系统阿贝误差不容忽视,其中某一方向导轨系统误差的影响是二维的；数控机床测量系统零点位置会随着床身热变形而产生漂移,因此急需建立稳定的建模参考点；传统分析阿贝误差的方法以测量系统作为旋转参考点,实际由于导轨系统误差的存在,工作台旋转中心是时变的。因此本文有必要在这些方面作进一步深入研究。本文根据形体热变形理论,提出热变形误差临界点理论。用于改进光栅尺的固定方式,消除机床床身热变形对光栅尺的附加影响,确保光栅尺在待测方向遵循热胀冷缩的规律自由伸缩。利用热变形误差临界点坐标值、温度变量和光栅尺材料热膨胀系数建立光栅系统零位热漂移误差和示值误差预测模型。为研究导轨系统阿贝误差产生原理及其相关性,本文以一台通用型三轴数控机床BV75为例,分析了各轴向阿贝误差计算方法并建立模型,堆栈式结构的Y轴导轨系统误差会传递至X轴导轨系统使其产生附加阿贝误差。另外,传统分析阿贝误差的方法认为工作台的旋转中心是固定不变的,该方法计算的阿贝臂与实际大小不符,因此提出导轨系统瞬时运动中心理论,用于精确修正各方向阿贝臂。本文以多体系统动力学理论为基础,综合考虑光栅测量误差、导轨系统阿贝误差以及误差相关性、抵偿性对机床总误差的影响,建立了符合实际工况的数控机床综合误差补偿模型。本文利用双频激光干涉仪测量导轨系统的线性位移定位误差、偏摆角误差和俯仰角误差,完成了导轨系统阿贝误差补偿试验。该方案将线性位移定位误差最大值450μm降低到-10μm,定位精度提高45倍,补偿效果明显。利用ANSYS软件仿真分析光栅尺在两种不同固定方式下的热变形情况,结果验证了基于热变形误差临界点固定方式下的光栅尺热变形不受机床的附加影响,为建立测量误差补偿模型提供了理论基础。
【关键词】：数控机床 阿贝误差 瞬时运动中心 热变形误差临界点 多体系统 误差建模
【学位授予单位】：安徽理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TG659
【目录】：

• 摘要5-6
• Abstract6-12
• 1 绪论12-18
• 1.1 课题背景及研究意义12
• 1.2 数控机床误差研究现状12-15
• 1.2.1 国外研究现状12-14
• 1.2.2 国内研究现状14-15
• 1.3 课题来源15
• 1.4 课题主要内容15-16
• 1.5 本章小结16-18
• 2 数控机床导轨系统阿贝误差及相关性分析18-28
• 2.1 数控机床几何误差分析18-19
• 2.2 Y轴导轨系统单向运动二维阿贝误差分析19-25
• 2.2.1 Y轴导轨单向运动引起的Y方向阿贝误差分析20-22
• 2.2.2 Y轴导轨系统角度误差对X轴导轨系统相关性分析22-23
• 2.2.3 Y轴导轨单向运动引起的X方向阿贝误差分析23-25
• 2.3 Z轴导轨系统一维阿贝误差分析25-26
• 2.4 本章小结26-28
• 3 数控机床热变形误差临界点和瞬时运动中心的确定及应用28-42
• 3.1 热变形误差临界点介绍28-29
• 3.2 热变形误差临界点应用29-34
• 3.2.1 光栅测量系统传统固定方式29-30
• 3.2.2 热变形误差临界点位置确定方法30
• 3.2.3 数控机床热变形分析方法及步骤30-33
• 3.2.4 数控机床热变形结果分析33-34
• 3.3 光栅测量系统零位热漂移误差及示值误差补偿模型34-35
• 3.4 基于导轨系统瞬时运动中心的阿贝误差分析35-40
• 3.4.1 基于偏摆瞬心的偏摆阿贝误差分析36-37
• 3.4.2 基于俯仰瞬心的俯仰阿贝误差分析37-38
• 3.4.3 基于滚转瞬心的滚转阿贝误差分析38-39
• 3.4.4 基于导轨系统运动瞬心的综合阿贝误差分析39-40
• 3.5 本章小结40-42
• 4 数控机床综合误差建模42-72
• 4.1 机床运动链分析42-44
• 4.2 机床运动链的齐次坐标转换分析44-65
• 4.2.1 机床坐标系的设定44-45
• 4.2.2 基于Y轴导轨系统瞬心的工件运动链1的齐次坐标转换分析45-50
• 4.2.3 基于X轴导轨系统瞬心的工件运动链2的齐次坐标转换分析50-56
• 4.2.4 基于Z轴导轨系统瞬心的刀具运动链的齐次坐标转换分析56-65
• 4.3 综合误差模型建立65-71
• 4.3.1 基于Y轴导轨系统瞬心的工件运动链1的误差模型建立65-67
• 4.3.2 基于X轴导轨系统瞬心的工件运动链2的误差模型建立67-68
• 4.3.3 基于Z轴导轨系统瞬心的刀具运动链的误差模型建立68-70
• 4.3.4 数控机床导轨系统综合误差模型建立70-71
• 4.4 本章小结71-72
• 5 试验及结果分析72-88
• 5.1 导轨系统阿贝误差验证试验72-79
• 5.1.1 试验方案设计及测量数据72-76
• 5.1.2 俯仰阿贝误差修正76-78
• 5.1.3 偏摆阿贝误差修正78-79
• 5.2 进给速度对导轨系统误差影响试验79-83
• 5.2.1 进给速度对线性位移定位误差影响试验79-81
• 5.2.2 进给速度对角度误差影响试验81-83
• 5.3 数控机床导轨系统三维热变形误差临界点仿真试验83-86
• 5.3.1 传统固定方式下光栅测量系统热变形仿真83-84
• 5.3.2 热变形误差临界点固定方式下光栅测量系统热变形仿真84-85
• 5.3.3 两种固定方式下光栅尺热变形误差比较85-86
• 5.4 本章小结86-88
• 结论与展望88-90
• 参考文献90-94
• 致谢94-96
• 作者简介及读研期间主要科研成果96

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本文编号：1133524