基于激光跟踪仪的五轴数控机床空间精度测点规划研究

发布时间：2020-09-09 11:20

　　五轴数控机床被广泛应用于复杂曲面零件的加工中,在航天航空、汽车、船舶等制造领域,具有举足轻重的地位。加工精度作为衡量机床性能的关键指标,是当前机床研究领域关注的重点。空间误差是机床各误差源在加工空间中的直接体现,如何快速、准确地对空间误差进行检测和补偿,是提高机床加工精度的有效办法,也是目前亟待解决的问题。本文以五轴数控机床为研究对象,以提高机床空间精度为主要目标,对机床空间误差的检测、建模及误差辨识方法展开了研究。其中,着重对机床空间误差检测中的测点布置策略进行了深入研究。本文具体内容如下:(1)对机床空间误差进行研究,建立机床空间误差模型。将空间误差分为空间位置误差及空间姿态误差,定义了空间误差的表示方法。对机床误差源进行分析,应用多体理论和齐次坐标变换对机床空间误差进行建模。针对快速、精确检测机床误差的需求,选择激光跟踪仪为检测仪器,对其检测原理及空间位置定位原理进行了研究。(2)对机床空间误差模型进行辨识性能研究并建立误差辨识模型。将辨识矩阵列向量类比到辨识空间的基向量,通过对辨识空间的分析,采用辨识矩阵列向量的正交性指标评价辨识矩阵的辨识效果。利用奇异值分解技术对误差传递矩阵进行奇异值分解,论述了奇异值对辨识矩阵辨识性能的影响,影响辨识矩阵的辨识效果的核心是矩阵的奇异值。(3)对机床空间误差检测进行检测点规划。针对常用机床空间误差检测点布置的不足,确立了以辨识矩阵奇异值的组合函数即可观测度为准则,进行检测点规划。确立检测点的优化策略,通过对初始测点从已生成的测点库中进行添加删除测点的操作,利用遗传算法对筛选测点过程进行优化,得到了最终的优化测点。(4)对机床不同测点进行误差参数的辨识,完成仿真分析。根据机床误差参数的特征,选择用三阶切比雪夫多项式对误差参数进行拟合。针对误差参数耦合性问题,使用岭估计算法和截断奇异值辨识算法对机床的各误差参数进行辨识。最后通过仿真,比较了三组不同测点对机床误差检测的准确程度,验证优化测点的有效性。
【学位单位】：电子科技大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2018
【中图分类】：TG659
【部分图文】：

试件,机床

床加工精度的提高就无从谈起。般来说，可从直接测量、间接测量和综合测量来获取机床的误差[31）直接测量法：通俗理解为直接获取机床各轴的单项各项误差值些较为简单和直观的仪器对单项误差进行直接检测，涉及仪器一般线光栅尺、步距规和标准平尺等。此类仪器简单直观，但是直接测作要求较高，包括仪器的使用和人员的素质。直接测量法还相当耗环境要求，因此，此方法不太适用于实际机床误差的检测。2）间接测量法：指通过对机床加工出的工件的分析和检测，得出信息的一种测量方法，此方法常用于机床的出厂检测或者验收。比有美国航空工业协会（AIA）提出的“NAS”试件，开启了检验试件精度的方法。中航工业集团下成都飞机制造公司提出的“S”型检测定的影响力，后被国际标准化组织（ISO）采纳成为标准测试件。过对机床加工工件的精度的检验，反求机床的各项误差，以对机床能作评价，但是此方法从提出至应用需要一套完整的测量方法体系一定的局限性。试件如图 1-1 所示。

机床精度,检测仪器

(a) (b) (c)图 1-2 部分机床精度检测仪器。(a)激光干涉仪；(b)激光跟踪仪；(c)球杆仪本文主要以综合测量辨识法为机床的误差检测方法，后续工作也将围绕此作阐述。有理论证明，如果要保证一次测量有意义，被测物精度应比检测仪一到两个数量级，因此对检测机床误差的仪器也有较高要求。随着机床的精慢慢提高，对测量仪器精度的要求也越来越高，越来越多的高精密仪器被用测机床的误差，与之对应的检测方法和辨识方法也日渐完善。为了更好更准检测出机床的误差，机床误差检测中应满足如下原则：（1）一致性，在实际误差检测中，检测条件应与机床的工作条件相一致；（2）完整性，机床的实差应被完整检测出来；（3）重复性，检测结果应真实反映出机床的运动情应具有重复性，既多次检测结果差异应在可接受范围内。国内外研究学者对误差检测及辨识做了大量研究，主要以不同的检测仪器研究相应的检测方法识方法。

参数,机床结构,五轴数控机床,机床行程

究的机床为西西那提 AB 双摆头五轴数控机床，机床结构构参数如表 2-2 所示。表 2-2 机床结构参数五轴数控机床机床结构类型 XYZBA测量单位 mm机床行程 20220*4170*715A 轴行程 -30°~ +30°B 轴行程 -30°~ +30°数控系统 SIEMENS 840DyxzZYB

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