基于直纹曲面试件的五轴机床精度检验方法研究

发布时间：2018-11-14 14:19

【摘要】：五轴数控机床具有优异的空间可达性,加工时无需特殊夹具和刀具就能完成空间曲面的加工,在航空航天、船舶及高精密仪器等高端制造行业中得到广泛应用。五轴数控机床作为高端制造装备的象征已经成为了一个国家工业发展水平的重要标志。精度是数控机床最为重要的性能指标,传统的定位精度等几何精度用于评价数控机床静态精度,而可直接反映加工精度的数控机床动态精度尚无权威的评价指标。随着空间曲面五轴联动加工的出现和加工效率提升的迫切需求,由机床动态特性引发的误差在总误差中的占比不断增大,特别是在复杂曲面高速加工中更加突出。国际标准化组织(ISO)制定的ISO 10791和ISO 230系列标准都只关注了静态几何精度检测,缺少针对机床动态精度的检验方法。为保障五轴数控机床空间曲面的加工能力,研究曲面特征下的机床动态性能作用机理及五轴数控机床动态精度检验方法显得尤为重要。本文针对复杂直纹曲面侧铣加工,提取了表达曲面形貌的多种几何特征,分析了不同特征下的机床运动学规律,建立了零件轮廓误差与上述特征的映射关系,为作者前期发明的机床动态精度检测试件—“S”形试件的进一步完善提供了理论依据和方法。论文主要研究内容如下:研究了基于NC代码的机床各轴运动学规律和曲面轮廓误差计算方法。通过分析直线轴和旋转轴进给系统结构模型,建立了包含伺服控制系统、机械传动系统和检测反馈系统的轴进给模型;基于多体系统理论,建立多轴联动的刀具末端姿态计算模型。在此基础上,在MATLAB环境下开发了机床运动学仿真工具,可根据NC代码计算加工过程中各轴实时的速度、加速度、加加速度,并基于给定的机床静动态误差因素,得到刀具中心点轨迹误差,为后续不同曲面特征下的机床动态性能分析奠定基础。开展了直纹面曲率相关特征与机床轴运动特征的对应关系研究。提取出包括曲率大小、曲率变化率和曲率连续性等几何特征,以二轴联动为例,推导了直线轴速度、加速度、加加速度在几种特征下的表达式;设计了恒曲率、变曲率和曲率连续性等特征试件,在仿真工具和实际加工中验证了直线轴的运动学规律。基于仿真工具进行旋转轴运动特性预测,并设计了曲率特征综合试件,在西门子840D数控系统实时采集采集功能支持下,进行了试件实验验证,结合仿真结果验证了各轴的运动规律。研究了曲率相关特征与零件加工轮廓误差的作用关系。在仿真计算刀具中心点轨迹的基础上,建立了刀具包络运动下的零件轮廓计算方法。以第三章中建立的曲率相关特征试件为例,计算了刀具真实运动下的轮廓误差,给出了曲率大小、曲率变化率和曲率连续性特征下零件轮廓误差分布规律,通过扩展机床拓扑结构类型和切削实验,进一步验证了曲率特征作用轮廓误差的普适性规律。开展了直纹面扭曲角特征对零件轮廓误差的影响规律研究。针对非可展直纹曲面加工的刀具姿态,提出了表征直纹面扭曲角的开闭角特征,分析了开闭角转换过程中扭曲、奇异区域的几何特点。对于非可展直纹面提出以中线驱动减小加工原理误差的方法;对于奇异点特征,分析了CA双摆头机床过象限的转角突变原理。通过设计开闭角转换试件,分别在BA、CA两种结构机床上进行轮廓误差仿真和切削实验,验证了开闭角特征作用下的轮廓误差分布规律。在直纹面的曲率和扭曲角作用下轮廓误差分布规律的指导下,对原有“S”形试件定义进行完善,完成了包含直纹曲面相关几何特征的新型“S”形试件的几何建模;对目前常用五轴数控机床精度检验试件,通过与前述章节的研究成果进行对比分析,从理论上论证了“S”形试件在五轴数控机床动态精度检测方面的全面性和敏感性,科学回答了“S”形试件在五轴机床动态精度检验中的优越性。对“S”形试件的装夹方案、加工工艺、测量方法进行了规范,为国家标准、国际标准的制定奠定基础。在上述规范指导下,通过不同机床的切削实验,证实了“S”形试件比NAS979圆锥台、四角锥台试件的轮廓误差更大、误差分布更为丰富,进一步验证了“S”形试件在五轴机床动态精度检测方面的全面性,对机床跟随误差更为敏感。
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【学位授予单位】：电子科技大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：TG659

【参考文献】