卧式三轴数控机床的几何误差建模与补偿

发布时间：2017-09-21 09:45

  本文关键词：卧式三轴数控机床的几何误差建模与补偿

  更多相关文章： 三轴数控机床 几何误差补偿 线性坐标变换 机床精度

【摘要】：随着高精度产品需求的日益提高,改善机床精度在制造业中是非常重要的一个目标。从汽车产业到航天航空,从消费产品到医药产品,三轴机床和检测仪在现代各个领域都有广泛的应用。随着个性化产品和较小规模产业的发展,产品的柔性制造也越来越重要。多轴数控机床精度主要是由于几何误差引起的,包括了导轨系统、结构刚度、热性能以及动态特性等。几何误差是由于机床的零部件自身制造误差以及在设计装配过程中的不精确而引起的误差。在数控机床中静态几何误差和系统几何误差是最主要的误差部分。为了建立几何误差模型和实施后续的误差补偿技术,这就需要对机床加工过程中几何误差的来源及其影响进行深入分析。基于软件平台的误差补偿技术在减小机床误差方面具有很好的前景,它所需的费用较少,这与制造行业的要求是非常一致的。补偿技术在制造行业中被大量的使用,例如:几何误差、热误差、刀具磨损误差和切削力引起的误差等。几何误差并不是一个不变的常数,它会随着机床位置的改变而变化,可以看作是一个关于机床位置坐标的函数。如果可以对机床的几何误差进行预测和补偿,那么就可以减小机床的整体误差。但是,如果机床的随即误差过大,那么机床生产出来的零件将会只有一部分符合指定的精度要求,而其余的零件将会超出精度要求。因此分析并表达出机床的随机误差特性是提高机床精度最重要的方式。本文针对卧式三轴数控机床,主要研究了机床几何误差、误差减少或提高机床精度的方法和过程,采用误差补偿的方法来减少机床几何误差,补偿试验结果表明,经过补偿大幅度减少了机床几何误差。论文主要内容本文研究主要内容可分为四个部分:1.机床误差元素的分析和减少误差的方法。分析了卧式三轴数控机床的误差元素,提出了减少误差的或提高精度的方法。2.机床几何误差的辨识和描述。对机床几何误差元素进行了辨识和描述,为误差数学模型的建立做准备。3.机床误差数学模型的建立。推导并建立了卧式三轴数控机床的误差数学模型,为最终的误差补偿提供理论依据。4.机床几何误差补偿试验。对于机床的主要误差-定位误差进行了误差补偿,以验证误差补偿的可行性及其效果,补偿试验结果表明:经补偿,机床定位精度有了大幅度提高。
【关键词】：三轴数控机床 几何误差补偿 线性坐标变换 机床精度
【学位授予单位】：上海交通大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TG659
【目录】：

• ABSTRACT6-8
• 摘要8-12
• 学位论文中文简介12-16
• 课题背景和研究现状12-13
• 机床误差元素和减小误差13
• 几何误差辨识和定位误差补偿模型13-14
• 试验及其结果分析14-16
• 1. INTRODUCTION16-24
• 1.1 PROBLEM STATEMENT16
• 1.2 ACCURACY OF COMPUTER NUMERICALLY CINTROLLED (CNC) MACHINE TOOLS16-18
• 1.3 PREVIEWS WORKS18-22
• 1.3.1 Error avoidance20
• 1.3.2 Error compensation20-22
• 1.4 CONCLUSION22
• 1.5 THESIS OUTLINE22-24
• 2. MACHINE TOOL ERROR COMPONENTS AND ERRORREDUCTION24-33
• 2.1 ERROR COMPONENTS24-25
• 2.2 BASIC ERROR REDUCTION METHODS25-26
• 2.3 GEOMETRIC ERRORS AND ERROR SOURCES OF GEOMETRIC NATURE26-30
• 2.3.1 Kinematic errors28-29
• 2.3.2 Thermo mechanical errors29
• 2.3.3 Loads29
• 2.3.4 Dynamic forces29-30
• 2.4 THERMAL ERRORS30-31
• 2.5 RANDOW VIBRATION31-33
• 3. IDENTIFICATION AND DESCRIPTION OF GEOMETRICERRORS33-43
• 3.1 IDENTIFICATION OF GEOMETRIC ERROR COMPONENT33-34
• 3.2 SETTING UP A MACHINE CO-ORDINATE SYSTEM34
• 3.3 GEOMETRIC ERROR MAPPING34-35
• 3.4 METHODS OF DIRECT MEASUREMENTS35-41
• 3.4.1 Linear displacement error measurement36-37
• 3.4.2 Straightness error measurement37-39
• 3.4.3 Squareness error measurement39
• 3.4.4 Angular error measurement39-41
• 3.4.5 Rotary axes measurement41
• 3.5 METHODS OF INDIRECT MEASUREMENT41-43
• 4. MACHINE TOOL ERROR MODELING43-59
• 4.1 IDEAL AND REAL CASES OF MACHINE TOOL43-45
• 4.2 LINEAR TRANSFORMATIONS45-46
• 4.3 ROTATION TRANSFORMATION46-47
• 4.4 CASE OF HOMOGENOUS COORDINA TRANSFORMATION47-57
• 4.4.1 Ideal case of homogenous coordinate transformation48-53
• 4.4.2 Real case of homogenous coordinate transformation53-55
• 4.4.3 Volumetric error model55-57
• 4.5 LINEAR DISPLACEMENT ERRORS57-59
• 5. COMPENSATION EXPERIMENTS59-68
• 5.1 IMPLEMENTATION OF ERROR COMPENSATION59
• 5.2 ERROR COMPENSATION CONTROL SYSTEM59-61
• 5.3 HORIZONTAL MACHINING CENTER ERROR MEASUREMENT AND COMPENSATION TEST61-68
• 5.3.1 Measurement tools and compensation61-63
• 5.3.2 Error measurements before compensation63-65
• 5.3.3 Error measurement after compensation65-68
• 6. CONCLUSION AND FURTHER WORK68-69
• BIBLIOGRAPHY69-73
• PAPER PUBLISHED73-74
• ACKNOWLEDGMENTS74

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本文编号：893779