三轴超精密车床几何误差敏感性分析及在位补偿技术研究

发布时间：2020-11-21 10:09

　　 目前,超精密加工技术已不再仅仅局限于航空航天等尖端国防领域,其应用范围已逐步扩展到国民经济的众多领域,并呈现出迅速扩张的趋势。超精密机床是促进超精密加工技术飞速发展的必要技术手段,超精密机床的装配误差以及关键部件的制造误差将使超精密机床运行过程中存在空间几何误差,会进一步导致超精密机床的轴系运动偏离理想位置,进而对机床的加工性能和加工精度产生极大的影响,最终导致工件的加工质量下降。工件的加工精度是间接评价超精密机床整体性能和加工精度的重要指标,而现代制造业对零件的加工精度提出了越来越高的要求,这就对超精密机床的整体加工性能和加工精度提出了极大的挑战。现阶段,我国三轴超精密车床的加工精度水平略低,具有较大的提升空间,而如何快速地提高我国三轴超精密车床的加工精度成为了亟待解决的重要问题。因此,本文对三轴超精密车床加工精度的误差补偿技术进行了研究,主要包括三轴超精密车床的几何误差建模、误差模型参数化、几何误差敏感性分析和在位误差补偿技术等内容。首先,基于多体系统动力学方法建立了三轴超精密车床各轴系对应的低序体序列,并采用低序体序列法描述了三轴超精密车床几何结构的拓扑关系。分析了三轴超精密车床直线导轨和旋转主轴的几何误差项,基于齐次坐标变换方法建立了三轴超精密车床轴系的通用几何误差模型,进而依据误差建模流程推导了三轴超精密车床空间几何误差模型的数学表达式。根据超精密车床误差检测国家标准(GB/T 17421.1,GB/T 17421.2,GB/T 7235)和国际标准(ISO 230-1,ISO 230-2,ASME B89.3.4)中规定的测量方法及误差评价方法,结合实验室实际具备的测量仪器条件,采用常用并可行的测量方法对三轴超精密车床的全部21项几何误差进行直接或间接测量,明确了三轴超精密车床全部21项几何误差的误差值,从而实现三轴超精密车床几何误差模型的参数化。其次,为了量化每个几何误差项对三轴超精密车床加工误差的影响程度,从三轴超精密车床众多几何误差中鉴别出对加工精度产生重大影响的若干几何误差项,采用基于方差分解形式的Sobol全局敏感性分析方法对三轴超精密车床的几何误差敏感性进行了分析。利用蒙特卡洛方法(Monte Carlo method)对几何误差项进行采样,采用Sobol方法对三轴超精密车床的空间几何误差模型及其沿X、Y、Z方向的误差分量进行了敏感性系数计算,根据敏感性分析结果确定了对空间几何误差模型及其沿X、Y、Z方向分量产生重大影响的重要敏感误差项。同时针对四种典型特征表面的加工精度进行了几何误差敏感性分析,鉴别出了对四种典型特征表面的加工精度影响重大的重要敏感几何误差项。几何误差敏感性分析不但提供了判断几何误差项是否对加工精度产生重大影响的评判标准,而且为三轴超精密车床几何误差补偿和调整以及误差分配提供了理论依据。此外,为了克服离线补偿过程中工件的拆卸、安装固定等操作引入的系统误差对误差补偿准确性的影响,基于白光共焦位移传感器搭建了一套非接触式在位测量及补偿系统,并进行了在位补偿系统硬件设计、软件开发及其与三轴超精密车床控制系统的集成。在位测量系统采用白光共焦位移传感器作为测量执行单元,利用PI高精度位移平台充当临时Y轴实现测量传感器沿高度方向上的精密调整。提出了基于双标准球的空间相对位置标定方法,保证了在位测量装置重复安装过程中相对于主轴中心的位置重复性,实现了工件二维轮廓及三维形貌的非接触式在位测量。通过与典型高精度测量设备进行对比的方式,验证了在位测量方法的测量精度和测量数据的准确性。最后,根据几何误差敏感性分析结果对部分已鉴别出的重要敏感几何误差项进行了误差补偿,并通过实验方式验证了补偿方法的正确性。进一步对工件面形误差的在位补偿方法进行了研究,分析了刀具圆弧半径及刀具对刀误差对加工精度的影响关系,并相应地提出了有针对性的补偿方法。在三轴超精密车床数控系统的基础上进行了在位补偿软件的开发和集成,根据在位测量结果采用程序代码修正、多轴联动补偿的形式对各种因素引起的规律性重复性的面形误差进行了在位综合补偿。针对平面、凸球面、正弦波表面及存在刀具对刀误差的凹球面等典型表面开展了在位补偿实验研究,结果表明在位误差补偿方法可进一步提高工件的面形精度,平面和球面的面形精度在两次补偿后能够提升60%以上,且补偿后的三轴超精密车床验收件面形精度能够很好地满足验收标准。在三轴超精密车床数控系统内集成了在位补偿系统后,三轴超精密车床具备了实现“精密加工、在位测量、在位补偿”一体化功能的基础。
【学位单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：博士
【学位年份】：2018
【中图分类】：TG51
【部分图文】：

图 1-5 激光干涉仪测量定位精度的原理示意图[51]matic of positioning accuracy measurement by laser in 1972 年首次提出了基于反向法的误差分离测量精度，有效地从主轴回转误差中分离出，反向误差分离的基本原理如图 1-6 所示，完

图 2-2 置于洁净间内的三轴超精密车床Fig.2-2 The three-axis ultra precisionmachine tool located in the clean room图 2-3 气体静压主轴结构示意图Fig.2-3 Schematic of structure of aerostatic spindle（3）切削加工冷却。在超精密车削过程中，采用冷却液对金刚石刀具和工件进行喷淋，在刀具和工件接触切削点附近的局部区域形成恒温，从而降低切削热

（2）主轴温升抑制。电机发热是气体静压主轴最主要的热误差源之一，因此，需在主轴电机所对应的机械壳体内部镶嵌水冷套对主轴电机实施循环水冷却，气体静压主轴的结构如图2-3所示，水冷机出水口输出的冷却水温度能够稳定在20℃±0.2℃范围内，在压力作用下冷却水在水冷套与水冷机之间实现循环，冷却水的循环流动可以吸收一定的热量，降低电机发热造成的加工误差，从而实现对主轴电机温升的抑制。图 2-2 置于洁净间内的三轴超精密车床Fig.2-2 The three-axis ultra precisionmachine tool located in the clean room图 2-3 气体静压主轴结构示意图Fig.2-3 Schematic of structure of aerostatic spindle（3）切削加工冷却。在超精密车削过程中，采用冷却液对金刚石刀具和工件进行喷淋，在刀具和工件接触切削点附近的局部区域形成恒温，从而降低切削热对加工精度的影响，同时冷却液还起到润滑的作用，可以提高工件的加工质量。
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本文编号：2892857