多轴联动数控加工精度预测与机床参数优化

发布时间：2020-08-04 13:13

【摘要】：多轴联动数控机床是航空航天高端制造领域不可或缺的重要装备,航空航天产品性能提升对数控加工精度提出了更高的要求。多轴联动数控机床加工精度预测和机床参数优化对保证零件的最终加工精度具有重要作用,其中影响机床精度的主要因素包括机床几何误差和伺服误差。当前国内机床制造企业和航空用户企业主要依靠经验评估机床误差和加工精度需求之间的关系,一方面机床制造企业面向用户产品加工精度需求的机床设计和服务能力不足,另一方面航空制造企业缺乏面向零件加工精度需求的机床选型和维护的有效方法。针对以上问题,本文对多轴联动数控加工精度预测与机床参数优化方法进行了深入研究,主要创新性成果如下:1)提出了考虑机床几何误差的三轴加工精度预测方法。针对基于机床几何误差的零件形位公差预测问题,首先建立了基于机床几何误差的刀具位姿误差模型,进而基于刀具位姿误差评估了被加工面的几何变动范围,从而预测零件的形位公差精度,建立了机床几何误差到零件形位公差精度之间的映射关系,为机床几何误差设计提供了依据。本方法三轴加工零件的圆柱度和平面度预测误差均小于10%,并基于飞机结构件的形位公差需求进行了三轴机床精度分析和参数优化验证。2)提出了考虑机床几何误差的五轴加工精度预测与优化方法。针对复杂曲面数控加工中机床几何误差导致刀具切削位置不确定引起的五轴加工精度预测难题,首先给出了考虑机床几何误差约束的复杂曲面五轴侧铣和端铣的切触点变动范围计算方法,建立了复杂曲面加工轮廓度预测模型,实现了五轴机床几何误差到曲面加工轮廓度之间的映射和面向复杂曲面加工轮廓度约束的机床几何误差优化。本方法面向五轴加工零件的轮廓度预测误差为13.6%,并基于航空制造企业的复杂曲面加工轮廓度需求进行了五轴机床几何误差参数优化验证。3)提出了基于加工轮廓精度预测模型的数控机床伺服参数优化方法。针对不同零件形状下伺服参数对加工轮廓度的影响问题,以加工零件的刀具轨迹信息作为零件形状的表征,研究了基于机床加减速特性的刀具轨迹信息转化为机床各轴位置和速度信息的求解算法,建立了面向伺服参数的加工轮廓度预测模型,进而实现了面向零件形状的数控机床伺服参数优化。经实验验证,本方法对伺服参数优化后平均减少S试件加工轮廓误差19.9%。基于以上研究成果开发了多轴联动数控加工精度预测与机床参数优化系统,在航空制造企业的零件研制生产中得到了应用验证。
【学位授予单位】：南京航空航天大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TG659
【图文】：

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镗床,运动链,几何误差,机床

图 2.1 镗床结构和运动链图轴数控加工机床几何误差参数机床通常共有 21 项几何误差，如表 2.1 所示。具体到每个机床轴，其作为近似的自由度，所以每个平移轴或者转动轴有六个误差参数，其中包含了线性（定位

位姿误差,刀具,公差带,刀具加工

机床几何误差是机床各轴位姿的变动范围，但前文的计算公式只是算出了刀具位姿误差的固定值。刀具位姿误差的意义并非刀具所达到的实际位置，而是刀具的理想位置到极限位置之间的变动范围。该范围的加工效果如图2.2所示。因此，刀具从一个位置移动到另一个位置的过程中，刀具的实际位姿是位姿误差范围内的一个随机位置。取极限则形成类似于公差带的变动区域。图 2.2 刀具加工过程中形成的类似公差带区域故而这个刀具可能存在的范围需要一个实际刀具位姿误差值减去理论刀具位姿误差值。上一节中的刀具位姿公式是在特定误差输入下的刀具位姿，其表现为特定性位置，没有直接体现这种误差的变动特性。由于不同的机床运动情况下刀具位姿计算不同，下面分别将针对于三轴运动、两轴运动和单轴运动情况计算刀具位姿误差。1）三轴运动情况对于前文的刀具位置和姿态求解模型，当机床几何误差值设定为零时，即为无位姿误差的

【参考文献】