机床几何误差建模及敏感性分析

发布时间：2017-06-07 21:08

  本文关键词：机床几何误差建模及敏感性分析，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：制造业是国民经济的核心部门,而机床则是实现制造技术现代化的重要设备之一,其质量和性能可以体现一个国家的工业技术实力,高端数控机床是国家综合国力的重要标志。现代机床结构设计非常复杂,每一个参与零件加工成形的误差单元都会对机床最终的加工精度产生影响。而加工精度是衡量机床性能的一个重要指标,所以对于机床误差建模与分析就显得尤为重要。在构成机床加工误差的众多误差源中,几何误差所占比例达到25%左右,是一项非常重要的误差源。因此归纳分析机床几何误差建模的流程并建立相应的模型,对于分析机床几何误差的作用规律及提高加工精度有重要意义。本文以多体系统理论为理论基础并结合齐次坐标变换方法,归纳了机床几何误差建模的通用流程。通过Matlab编程建立机床的误差模型并系统分析了机床各部件误差对加工误差的影响,实现了误差分析的流程化和可视化。做了以下研究工作:(1)对课题背景及研究内容做了认真阐述,对机床误差建模技术在国内外的进展情况进行分析,介绍了两种可以有效降低加工误差的方法。(2)系统介绍了机床几何误差建模的基本理论即多体系统运动学理论。机床作为一类典型的多体系统,在经过合理简化和提炼后可以得到其拓扑结构,用低序体阵列描述机床各参与成形运动的相邻部件的关联关系,在各部件上建立合理的子坐标系并给出它们之间的各种变换矩阵,通过矩阵运算给出了机床的运动学模型。使机床的运动关系表示变得一目了然,为后续的机床几何误差建模提供了理论依据。(3)介绍了国际标准化组织对机床各个坐标轴的确定方法,按机床结构的不同对机床进行了系统分类。对机床几何误差建模流程进行分析,归纳整理出一种通用性强、适用范围广的建模流程。分别选取了一种四轴机床和五轴机床为例给出了具体的误差建模流程,为后续误差建模软件的编写打下了坚实的理论基础。(4)利用Matlab编写了三轴联动机床的误差建模软件,该软件预留接口程序,为后续建模软件的进一步补充完善做好了准备。以i5T5.2型数控车床为例进行了误差源敏感性分析和误差作用规律分析,为机床误差补偿及公差设计提供了理论指导。通过机床实际加工及测量加工误差,与软件分析结果进行对比,较好的验证了多体系统理论和编写软件的正确性及实用性。
【关键词】：机床 几何误差 多体系统 误差建模 误差分析
【学位授予单位】：太原理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TG502
【目录】：

• 摘要3-5
• ABSTRACT5-10
• 第一章 绪论10-20
• 1.1 课题背景及意义10-11
• 1.2 数控机床误差建模技术国内外发展现状11-15
• 1.2.1 国外研究现状11-13
• 1.2.2 国内研究现状13-15
• 1.3 机床误差分类及运动副误差描述15-18
• 1.3.1 机床误差分类15-16
• 1.3.2 机床运动副误差描述16-18
• 1.4 降低数控机床加工误差的有效措施18-19
• 1.4.1 误差防止法18-19
• 1.4.2 误差补偿法19
• 1.5 本章小结19-20
• 第二章 机床几何误差建模理论基础20-36
• 2.1 多体系统理论简介20
• 2.2 多体系统拓扑结构的描述20-23
• 2.2.1 多体系统拓扑结构及其低序体阵列描述21-22
• 2.2.2 典型体的几何描述22-23
• 2.3 多体系统相邻体间理想变换矩阵23-27
• 2.3.1 理想状态下的旋转运动24-25
• 2.3.2 理想状态下的平移运动25-26
• 2.3.3 理想状态下的合成运动26-27
• 2.4 多体系统中相邻体间实际变换矩阵27-32
• 2.5 机床成形运动基本概念及其运动学模型32-33
• 2.5.1 机床理想成形运动函数33
• 2.5.2 机床实际成形运动函数33
• 2.6 本章小结33-36
• 第三章 机床几何误差建模过程36-52
• 3.1 数控机床概述36-37
• 3.2 机床几何误差计算机建模流程37-38
• 3.3 三轴机床建模实例38-42
• 3.3.1 机床拓扑结构及低序体阵列38-39
• 3.3.2 机床各成形部件的特征矩阵39-40
• 3.3.3 理想成形函数及实际成形函数40-42
• 3.4 四轴机床建模实例42-46
• 3.4.1 机床拓扑结构及低序体阵列42-43
• 3.4.2 机床各成形部件的特征矩阵43-45
• 3.4.3 理想成形函数及实际成形函数45-46
• 3.5 五轴机床建模实例46-51
• 3.5.1 机床拓扑结构及低序体阵列46-47
• 3.5.2 机床各成形部件的特征矩阵47-49
• 3.5.3 理想成形函数及实际成形函数49-51
• 3.6 本章小结51-52
• 第四章 几何误差建模软件功能及实例分析52-76
• 4.1Matlab简介52
• 4.2 建模软件功能简介52-58
• 4.3 软件分析结果58-59
• 4.4 i5T5.2 型数控车床实例分析59-72
• 4.4.1 机床几何误差敏感性分析60-68
• 4.4.2 机床部件误差规律性分析68-72
• 4.5 实验验证72-74
• 4.6 本章小结74-76
• 第五章 全文总结76-78
• 5.1 研究结论76-77
• 5.2 工作展望77-78
• 参考文献78-82
• 致谢82-84
• 攻读学位期间发表的学术论文目录84

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