论文部分内容阅读
数控机床的几何误差是机床系统固有的准静态误差,是决定机床整机精度的重要误差因素之一。可根据各几何误差对终端误差的作用,通过补偿综合空间误差来提升数控机床的精度;另一方面,研究空间误差与制造装配误差的关系,可从设计制造的角度来提升机床的空间精度,且降低成本。目前机床的空间误差模型中未考虑几何误差耦合(如定位误差、直线度误差和角度误差耦合)因素,空间误差补偿效果并不理想。在几何误差测量与辨识时仍存在一些问题需要完善,如针对特殊情况下的几何误差测量与辨识的精度、效率、可行性等还未达到实际需求。核心零部件如移动滑台组件的误差传递机理尚未明确,使得对机床的空间误差溯源分析时难以考虑具体的装配几何误差等。本文以数控机床的空间精度为核心,对数控机床的空间误差建模、误差测量与辨识和溯源等方面的关键问题开展研究,对于实现机床合理的设计、制造和补偿,提升数控机床的精度,具有重要的理论意义和应用价值。主要研究内容如下:(1)数控机床空间误差的建模理论与方法。首先分析了旋量理论在建立数控机床的空间误差模型中的应用,并比较分析采用传统的齐次坐标变换理论进行建模的不足之处。在空间误差补偿时,使用传统的未考虑几何误差耦合的空间误差模型容易引入不必要的误差,影响空间误差补偿效果。针对这一问题,本文在旋量理论基础上提出了一种考虑几何误差耦合的空间误差模型的建模方法,并引入了角度误差转动中心的参数。在三轴数控机床上进行实验并验证了此空间误差模型的有效性,相比传统方法能更好地预测空间误差,进一步提升了空间误差补偿精度达57%。另外,对一种包含旋转轴的多轴大型数控测量机床,本文基于旋量理论建立了在全局坐标系下的空间误差模型。(2)数控机床几何误差的测量与辨识方法。对大型多轴机床上难以辨识的单个移动轴和转动轴的六项位置相关几何误差,分别提出了基于激光跟踪仪的移动轴和转动轴的几何误差测量模式及相应的误差辨识方法,提高测量效率并保证较低的结果不确定度。此外,精密数控机床两个移动轴之间的垂直度误差存在几何误差耦合而导致测量结果不准确,针对此问题,在激光干涉仪测量的基础上,提出了考虑几何误差耦合的垂直度误差测量与辨识的新方法。实验通过采用传统的球杆仪、直角规与千分表、激光对角线法等测量垂直度误差,与提出的考虑几何误差耦合的测量与辨识方法的结果比较,验证了采用所提出的辨识方法可得到较为准确的垂直度误差,并且使得综合误差模型具有更好的预测精度。(3)数控机床空间误差的多层误差溯源分析理论与方法。为从设计制造角度合理地控制机床的空间精度大小,需要研究空间误差溯源中各层误差传递关系,移动轴的装配几何误差传递关系是制约误差溯源与分析的关键问题。本文分析了移动轴的装配结构和几何误差,并基于旋量理论和受力变形分析,提出一种考虑装配几何误差的误差传递模型,建立了基座、滑块导轨与滑台的各误差的定量关系。通过在精密机床的移动轴上的实验,验证了所提出的误差传递模型的可行性。基于数控机床空间误差模型和移动轴的误差传递模型,提出了基于贡献比值的对空间误差进行多层误差溯源的分析方法,并给出了误差溯源分析结果在工作空间的分布。为分析各层几何误差的调整变化对空间误差变化的动态影响,提出了基于偏微分和数值模拟的多层误差灵敏度分析方法。在此基础上提出了装配几何误差的分配方法和算法流程,通过模拟仿真验证了在保证精度条件下,此方法能合理分配各装配几何误差值并降低成本,可较好地用于指导机床几何误差设计制造和装配流程。(4)结合所提出的空间误差建模和几何误差辨识方法,分别以三轴数控机床和大型多轴数控机床为例,进行了几何误差测量辨识和空间误差补偿的实验应用。对两种型号μ2000/800H和HMC63的三轴数控机床应用了所提出的考虑几何误差耦合的空间误差模型,并对空间误差进行补偿,结果表明除小误差外空间精度提升了20%~76%;并对大型多轴数控机床进行空间误差补偿,采用所提出的各几何误差测量与辨识方法及空间误差补偿的反解算法,补偿后空间轨迹精度提升了54%~87%,较好地完成了几何误差辨识并补偿提高了机床的空间精度,验证了所提出的相应模型和方法的可行性与有效性。