机床导轨运动误差的在线检测方法研究及实验验证

发布时间：2020-03-27 01:54

【摘要】：高端数控机床不仅在航天航空、军工核工等国家安全战略领域内发挥着重要作用,而且在惯性约束核聚变、微电子、高性能零件/构件的精密制造等重大领域起着关键作用。直线导轨是实现高端数控机床平移运动的根本,快速准确地在线检测直线导轨的运动误差,进而将其进行误差补偿,不仅能够提高机床的加工精度,而且还可监测机床的运行状态,因此相关研究具有重大的工程意义和科学价值。针对该问题,本文提出了一种直线导轨运动误差的在线检测方法—集成了误差分离算法和误差检测系统,从理论推导、仿真分析和实验研究三方面对其中关键性技术开展了深入研究。针对现有多探头扫描法的局限性,提出一种改进型四点算法以同时在线测量导轨的直线度误差和偏摆误差。将探头以特定方式布置,基于探头测量值建立满秩的线性方程组;针对方程组的病态特性所引起的解不稳定问题,引入Tikhonov正则化方法。基于Matlab的仿真分析表明改进型四点法具有理想的计算精度。系统分析测量噪声、采样间隔、采样点数目等参数对改进型四点法的影响规律,仿真结果显示测量噪声对算法精度影响最大。依据改进型四点法的功能需求,设计相匹配的柔性误差检测机构并对其进行特性分析。首先,在典型柔性机构的基础上,对误差检测机构进行构型设计。其次,基于柔性铰链的柔度矩阵,采用柔度矩阵法推导串/并联型柔性机构的柔度模型,进而对误差检测机构中导向模块和放大模块进行柔度建模。随后,依据上述模型,仿真分析输出位移、输入刚度等关键指标随机构几何尺寸的变化规律。最后,采用有限元法对误差检测机构进行动静态特性分析,从而得到机构的放大倍数、固有频率等性能指标。实验研究本文所提的运动误差在线检测方法,从而验证该方法的可行性和有效性。首先,基于柔性误差检测机构和线性光栅系统构建误差检测系统;其次,对误差检测系统放大倍数、输入刚度及固有频率进行测定。最后,应用所提的误差在线检测方法和激光干涉仪分别对机床导轨直线度误差和偏摆误差进行测定,并建立二者测量坐标系间的空间位姿变换关系。实验结果表明,在线检测方法能够较好地分离出机床导轨各项运动误差。
【图文】：

激光干涉仪,跟踪仪,空间误差,机床

哈尔滨工业大学工程硕士专业学位论文2 机床及导轨运动误差测量研究现状激光干涉仪/跟踪仪在机床及导轨误差测量中占有重要的地位，Renishaw、I 等公司研制出了一系列激光干涉仪/跟踪仪产品，如图 1-1、图 1-2 所示。如 API 的 XD Laser 激光干涉仪(含稳频激光器、干涉镜、6D 传感器)一次安即可测得 6 项误差；其激光跟踪仪则可实现其自创的 VEC 空间误差补偿技，该技术具有很高的自动化，可根据机床的 CAD 模型，建立机床的运动误模型，并计算出一个最佳测量路径，，避免在机床运行过程中潜在冲突[2]。MEB5.54 和 ISO 230-6 推荐采用基于激光干涉仪/跟踪仪的体对角线法来快评可靠地评定机床的空间误差[3,4]，且该方法在波音公司取得显著的效果[5]。时激光干涉仪在 CMM 的验收试验(Acceptance Test)、周期复检(Reverificationst)和定期维护中具有重要的作用。

激光跟踪仪

哈尔滨工业大学工程硕士专业学位论文2 机床及导轨运动误差测量研究现状激光干涉仪/跟踪仪在机床及导轨误差测量中占有重要的地位，Renishaw、I 等公司研制出了一系列激光干涉仪/跟踪仪产品，如图 1-1、图 1-2 所示。如 API 的 XD Laser 激光干涉仪(含稳频激光器、干涉镜、6D 传感器)一次安即可测得 6 项误差；其激光跟踪仪则可实现其自创的 VEC 空间误差补偿技，该技术具有很高的自动化，可根据机床的 CAD 模型，建立机床的运动误模型，并计算出一个最佳测量路径，避免在机床运行过程中潜在冲突[2]。MEB5.54 和 ISO 230-6 推荐采用基于激光干涉仪/跟踪仪的体对角线法来快评可靠地评定机床的空间误差[3,4]，且该方法在波音公司取得显著的效果[5]。时激光干涉仪在 CMM 的验收试验(Acceptance Test)、周期复检(Reverificationst)和定期维护中具有重要的作用。
【学位授予单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TG659

【参考文献】