重型机床静态精度设计方法及其大尺寸误差测量技术研究
发布时间：2020-12-20 14:39
重型数控机床是能源动力、航天航空、国防军工、汽车制造等行业的关键设备,机床的精度水平直接决定了大型关键零件加工的精度、效率及可靠性,其设计理论体系的建立对于提高我国重型机床制造水平具有重要的意义。重型机床静态精度设计是重型机床设计中的重要内容,对实现精度目标和成本控制有着非常重要的作用,但目前的机床精度设计方法没有考虑到重型机床大尺寸结构柔性的特殊性,尤其是重力作用引起的结构变形误差对静态精度的影响,其结果使得重型机床产品的静态精度依然需要依靠后期的装配调整环节加以保证,无法发挥精度设计在机床设计中应有的作用和优势。为解决上述问题,本文对重型机床的静态精度设计方法所涉及的静态误差建模、重力变形误差建模、大尺寸误差测量和静态误差分配技术进行了研究,旨在为构建具有重型机床特点的精度设计方法及理论体系提供一定的指导。针对重型机床结构大尺寸、大跨距的柔性特点,提出了一种基于多柔体系统理论的重型机床静态误差建模方法。将机床抽象为由弹性体和铰组成的多柔体系统,通过齐次坐标变换矩阵揭示了刚体运动中的几何误差和柔性体弹性变形误差间的耦合关系,建立了描述几何误差及弹性变形误差共同作用下的运动轴静态误差元...
【文章来源】：哈尔滨工业大学黑龙江省 211工程院校 985工程院校
【文章页数】：139 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
重型数控机床典型产品[1]
第1章绪论-3-的准静态误差，该类误差与机床结构形态有关，主要包括几何误差、热误差、联动误差等，最多能占到机床总误差的70%[5,6]；第二类是与机床的运行状态和时间有关的动态误差，属于由刀具受力变形、机床结构振动、工件受力变形和伺服控制等引起的误差。图1-2多轴机床的误差源[4]Fig.1-2Errorsourcesofmulti-axismachinetools[4]机床精度对机械加工质量具有显著影响，提高机床精度已成为多轴机床设计、制造、装配过程中的首要任务。机床的加工精度（或工作精度）是指加工后的零件几何尺寸、形位精度与加工对应要求相符合的程度。误差源是产生某种误差的来源，将其引起的误差定义为对应的误差元素，如机床部件沿X轴直线运动过程中沿Y向的直线度误差就是一个误差元素。机床加工时刀尖点的实际运动轨迹会在误差元素的作用下偏离理想的运动轨迹，从而产生加工误差。机床设计的重点在于预测及评估机床加工精度，并在可实现的前提条件下制定出成本最低的设计方案。由于机床的精度模型描述了误差元素与机床刀尖点加工精度的关系，是分析、预测机床加工精度的重要手段，因此重型机床的精度建模是机床设计过程中的关键环节与重要内容，为重型机床的精度设计方法提供了理论基矗重型机床具有尺寸大、载荷大、行程大等特点，如落地铣镗床滑枕、龙门式铣床横梁等大外伸量、大跨距结构特征会导致机床部件刚性不足，直接影响加工精度；机床所处空间的温度梯度也会造成机床的不均匀变形。普通机床可以忽略的误差由于重型机床的结构特点其影响可能会被放大，进而变得难以控制。在普通机床与重型机床精度建模方法研究方面，国内外学者开展了大量的研究工作，取得了丰硕的成果，确立了基本的理论体系[7,8]，研究的误差源主要包括几何误差、力变?
叻ú饬吭?硖岢隽?激光跟踪仪空间位置误差测量的自标定技术，并且在此基础上探讨了测量系统站位布局对测量不确定度的影响，指出当站位布局构成空间正四面体时测量系统具有最优的测量精度[99,100]。Wendt等将激光跟踪仪的多边法应用于大型CMM的空间位置误差测量[101]。为进一步提高三轴数控机床的误差补偿精度，Aguado等采用激光跟踪仪的多边法测量机床空间位置误差以降低测量噪声带来的影响[102]。英国杜伦大学的Zhang等借助误差放大因子分析了系统站位配置对测量精度的影响，研究了新型激光跟踪仪多边法测量方案的性能，如图1-5所示，并对系统配置和自标定规则进行了优化，大大降低了系统自标定及测量的不确定度[103]。图1-5四站位激光跟踪仪多边法测量系统Fig.1-5Afour-stationmultilaterationsystemoflasertrackers国内在激光跟踪仪的多边法测量研究方面也做了大量的工作。天津大学的林永兵系统地研究了四站位激光跟踪仪多边法测量的站位布局优化，以被测点的误差放大因子最小化为目标，同时考虑目标靶球对激光入射角小于±90°的接收范围限制，得到了一种具有实用价值的系统最佳布局[104,105]。王金栋根据多边法原理推导了测量站位与空间测量点坐标的解析求解算法，并利用一台激光跟踪仪在不同站位下对机床运动轨迹进行重复测量，得到站位空间位置与测量点空间坐标，最后通过9线法辨识机床各项几何误差[106]。哈尔滨工业大学的张振久等提出一种新型的顺次多边法，引入四个标定好的中继靶座，用于计算激光跟踪仪的站位空间位置信息，从而减小了机床的重复性误差，提高了误差辨识精度[107]。北京工业大学的Chen提出了一种抑制自标定过程对多边法测量负面影响的站位布局优化模型，并分析了最优布局奇异值分解的准确性[108]。
【参考文献】：
期刊论文
[1]基于改进的九线法实施数控机床几何精度补偿方法的研究[J]. 龚凌云. 机床与液压. 2017(14)
[2]五轴数控机床空间定位精度改善方法研究现状[J]. 李杰,谢福贵,刘辛军,梅斌,董泽园. 机械工程学报. 2017(07)
[3]重型数控机床的发展与展望[J]. 高明明. 世界制造技术与装备市场. 2016(05)
[4]智能机床的误差补偿技术[J]. 郭云霞,叶文华,梁睿君,何磊. 航空制造技术. 2016(18)
[5]数控机床几何误差测量及误差补偿研究[J]. 沈斌,邓丽芬,劳黎露,刘春学. 机床与液压. 2016(05)
[6]面向机床整机动态性能的立柱结构优化设计研究[J]. 刘成颖,谭锋,王立平,蔡钊勇. 机械工程学报. 2016(03)
[7]基于三坐标测量机的采样点数及其分布策略研究[J]. 苏长青,孙业翔,屈力刚,叶柏超,陈靖乐. 中国工程机械学报. 2015(06)
[8]大型数控机床导轨直线度误差测量与实时补偿[J]. 肖慧孝,姚晓栋,冯文龙,沈牧文,杨建国. 机械科学与技术. 2015(01)
[9]我国重型机床行业的发展与展望[J]. 彭鄂. 机械工程师. 2014(06)
[10]多站大尺寸测量仪坐标系转换的Procrustes方法[J]. 王德元,张晓琳,马强,王军,孙和义,唐文彦,邵江,于望竹. 光学精密工程. 2014(04)
博士论文
[1]多轴精密数控机床误差测量、综合建模及补偿技术的研究[D]. 张恩忠.吉林大学 2017
[2]重型数控落地铣镗床综合误差补偿研究[D]. 刘一磊.哈尔滨工业大学 2015
[3]多轴数控机床精度建模与误差补偿方法研究[D]. 粟时平.中国人民解放军国防科学技术大学 2002
本文编号：2928042
【文章来源】：哈尔滨工业大学黑龙江省 211工程院校 985工程院校
【文章页数】：139 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
重型数控机床典型产品[1]
第1章绪论-3-的准静态误差，该类误差与机床结构形态有关，主要包括几何误差、热误差、联动误差等，最多能占到机床总误差的70%[5,6]；第二类是与机床的运行状态和时间有关的动态误差，属于由刀具受力变形、机床结构振动、工件受力变形和伺服控制等引起的误差。图1-2多轴机床的误差源[4]Fig.1-2Errorsourcesofmulti-axismachinetools[4]机床精度对机械加工质量具有显著影响，提高机床精度已成为多轴机床设计、制造、装配过程中的首要任务。机床的加工精度（或工作精度）是指加工后的零件几何尺寸、形位精度与加工对应要求相符合的程度。误差源是产生某种误差的来源，将其引起的误差定义为对应的误差元素，如机床部件沿X轴直线运动过程中沿Y向的直线度误差就是一个误差元素。机床加工时刀尖点的实际运动轨迹会在误差元素的作用下偏离理想的运动轨迹，从而产生加工误差。机床设计的重点在于预测及评估机床加工精度，并在可实现的前提条件下制定出成本最低的设计方案。由于机床的精度模型描述了误差元素与机床刀尖点加工精度的关系，是分析、预测机床加工精度的重要手段，因此重型机床的精度建模是机床设计过程中的关键环节与重要内容，为重型机床的精度设计方法提供了理论基矗重型机床具有尺寸大、载荷大、行程大等特点，如落地铣镗床滑枕、龙门式铣床横梁等大外伸量、大跨距结构特征会导致机床部件刚性不足，直接影响加工精度；机床所处空间的温度梯度也会造成机床的不均匀变形。普通机床可以忽略的误差由于重型机床的结构特点其影响可能会被放大，进而变得难以控制。在普通机床与重型机床精度建模方法研究方面，国内外学者开展了大量的研究工作，取得了丰硕的成果，确立了基本的理论体系[7,8]，研究的误差源主要包括几何误差、力变?
叻ú饬吭?硖岢隽?激光跟踪仪空间位置误差测量的自标定技术，并且在此基础上探讨了测量系统站位布局对测量不确定度的影响，指出当站位布局构成空间正四面体时测量系统具有最优的测量精度[99,100]。Wendt等将激光跟踪仪的多边法应用于大型CMM的空间位置误差测量[101]。为进一步提高三轴数控机床的误差补偿精度，Aguado等采用激光跟踪仪的多边法测量机床空间位置误差以降低测量噪声带来的影响[102]。英国杜伦大学的Zhang等借助误差放大因子分析了系统站位配置对测量精度的影响，研究了新型激光跟踪仪多边法测量方案的性能，如图1-5所示，并对系统配置和自标定规则进行了优化，大大降低了系统自标定及测量的不确定度[103]。图1-5四站位激光跟踪仪多边法测量系统Fig.1-5Afour-stationmultilaterationsystemoflasertrackers国内在激光跟踪仪的多边法测量研究方面也做了大量的工作。天津大学的林永兵系统地研究了四站位激光跟踪仪多边法测量的站位布局优化，以被测点的误差放大因子最小化为目标，同时考虑目标靶球对激光入射角小于±90°的接收范围限制，得到了一种具有实用价值的系统最佳布局[104,105]。王金栋根据多边法原理推导了测量站位与空间测量点坐标的解析求解算法，并利用一台激光跟踪仪在不同站位下对机床运动轨迹进行重复测量，得到站位空间位置与测量点空间坐标，最后通过9线法辨识机床各项几何误差[106]。哈尔滨工业大学的张振久等提出一种新型的顺次多边法，引入四个标定好的中继靶座，用于计算激光跟踪仪的站位空间位置信息，从而减小了机床的重复性误差，提高了误差辨识精度[107]。北京工业大学的Chen提出了一种抑制自标定过程对多边法测量负面影响的站位布局优化模型，并分析了最优布局奇异值分解的准确性[108]。
【参考文献】：
期刊论文
[1]基于改进的九线法实施数控机床几何精度补偿方法的研究[J]. 龚凌云. 机床与液压. 2017(14)
[2]五轴数控机床空间定位精度改善方法研究现状[J]. 李杰,谢福贵,刘辛军,梅斌,董泽园. 机械工程学报. 2017(07)
[3]重型数控机床的发展与展望[J]. 高明明. 世界制造技术与装备市场. 2016(05)
[4]智能机床的误差补偿技术[J]. 郭云霞,叶文华,梁睿君,何磊. 航空制造技术. 2016(18)
[5]数控机床几何误差测量及误差补偿研究[J]. 沈斌,邓丽芬,劳黎露,刘春学. 机床与液压. 2016(05)
[6]面向机床整机动态性能的立柱结构优化设计研究[J]. 刘成颖,谭锋,王立平,蔡钊勇. 机械工程学报. 2016(03)
[7]基于三坐标测量机的采样点数及其分布策略研究[J]. 苏长青,孙业翔,屈力刚,叶柏超,陈靖乐. 中国工程机械学报. 2015(06)
[8]大型数控机床导轨直线度误差测量与实时补偿[J]. 肖慧孝,姚晓栋,冯文龙,沈牧文,杨建国. 机械科学与技术. 2015(01)
[9]我国重型机床行业的发展与展望[J]. 彭鄂. 机械工程师. 2014(06)
[10]多站大尺寸测量仪坐标系转换的Procrustes方法[J]. 王德元,张晓琳,马强,王军,孙和义,唐文彦,邵江,于望竹. 光学精密工程. 2014(04)
博士论文
[1]多轴精密数控机床误差测量、综合建模及补偿技术的研究[D]. 张恩忠.吉林大学 2017
[2]重型数控落地铣镗床综合误差补偿研究[D]. 刘一磊.哈尔滨工业大学 2015
[3]多轴数控机床精度建模与误差补偿方法研究[D]. 粟时平.中国人民解放军国防科学技术大学 2002
本文编号：2928042
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