【摘 要】
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装备制造业是一个国家工业化发展程度的重要标志。数控机床,作为装备制造业的“工作母机”,是不可缺少的“生产工具”。五轴数控机床作为高端机床的代表,由于具备两个旋转轴,拥有更好的加工柔性、更高的加工效率等优点,但同时也引入了更多的误差影响,刀具运动也更加复杂。研究五轴机床误差的作用机理,并进行检测与补偿,对提高五轴机床的加工精度具有十分重要的意义。本文以五轴联动数控机床为研究对象,考虑机床精度在几何误
【基金项目】
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国家科技重大专项（2015ZX04001002）； 国家留学基金委国家建设高水平大学公派研究生项目（201906070051）；
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装备制造业是一个国家工业化发展程度的重要标志。数控机床,作为装备制造业的“工作母机”,是不可缺少的“生产工具”。五轴数控机床作为高端机床的代表,由于具备两个旋转轴,拥有更好的加工柔性、更高的加工效率等优点,但同时也引入了更多的误差影响,刀具运动也更加复杂。研究五轴机床误差的作用机理,并进行检测与补偿,对提高五轴机床的加工精度具有十分重要的意义。本文以五轴联动数控机床为研究对象,考虑机床精度在几何误差及控制误差下的影响,以空间误差补偿及动态误差控制为最终目的开展了相关研究。建立了五轴机床的空间误差模型,开展了几何误差的灵敏度分析与耦合关系分析。提出了优选测量点分布的空间误差检测方法和自适应几何误差辨识方法,并基于站位分布与坐标自校准方法优化了多站检测精度。分析了传统刀轨加减速控制下的刀轨误差形成机理,提出了工件坐标系下刀具位姿同步运动的刀轨加减速控制方法,设计了评价刀轨加减速控制误差的检测试件。应用本文研究内容,形成了机床误差的补偿方案,并进行了应用案例的研究。本文主要研究成果如下:（1）建立了五轴机床的空间误差模型,开展了几何误差的灵敏度分析与耦合关系分析。基于刚体运动学理论,建立了几何误差到空间误差的传递关系。利用误差投影及引入有效切削长度,定义了单一灵敏度指标,提出了综合考虑6项刀具位姿误差的几何误差灵敏度分析方法,分析对刀具位姿误差具有主要影响的关键几何误差,通过机床精度设计进行了应用与验证。分析几何误差间的耦合关系,利用坐标系的定义方式对误差项进行合并,简化了空间误差模型。通过考虑误差检测及求解过程中几何误差的耦合关系,设计了球杆仪2种安装位置下的4种测量模式,检测每个旋转轴的所有几何误差,并提高了检测效率。（2）设计了优选测量点分布的五轴机床空间误差检测方法与自适应的几何误差辨识方法。利用切比雪夫多项式描述几何误差,将几何误差的辨识转化为多项式系数的辨识。基于多项式系数到空间误差的传递矩阵,重新定义了可观测度指标,设计了测量点的优选方法,能够减小测量误差对几何误差辨识精度的影响,通过与随机测量点分布方法的比较进行了验证。提出了自适应分配多项式阶数的几何误差辨识方法,优化了几何误差的近似方式,提高了几何误差的辨识精度。对一台AC双摆头五轴机床的空间误差进行检测,通过比较不同几何误差辨识方法下的空间误差预测精度,对提出的几何误差辨识方法进行了应用与验证。（3）基于站位分布与坐标自校准方法优化了激光跟踪仪多站检测精度。通过建立站位坐标与测量点坐标之间的映射关系,提出了减小测量误差与人工摆放误差影响的站位分布选择方法,实现测量精度的提升,通过比较不同站位分布下的测量精度进行了验证。建立了站位坐标与测量点坐标自校准误差之间的关系,提出了针对坐标自校准误差进行迭代求解的坐标自校准方法,提高了坐标自校准精度,与传统坐标自校准方法进行了对比。通过使用不同的检测方法对一台机床的空间误差进行测量精度的比较,对优化的多站检测方法进行了应用与验证。（4）提出了工件坐标系下刀具位姿同步运动的刀轨加减速控制方法,设计了一种评价刀轨加减速控制影响的检测试件。基于理论与图形分析,研究了传统五轴刀轨加减速控制下刀轨误差的形成机理。对刀具位置轨迹沿进给方向进行加减速控制,并同步对刀具姿态轨迹进行加减速控制,然后运用逆运动学计算获得各轴指令轨迹,改进了刀轨加减速控制方法,消除了传统加减速控制产生的刀轨误差。通过设计中间位置旋转轴反向运动的直线刀轨,提出了一种平面检测试件,能够显著反映刀轨加减速控制产生的误差。（5）应用本文研究成果,形成了五轴机床误差的补偿方案。建立五轴机床空间误差模型,设计空间误差的检测方法并辨识几何误差,利用几何误差辨识结果进行空间误差补偿;应用改进的刀轨加减速控制方法控制机床运动,减小刀轨误差。以一台AC双摆头五轴机床为研究对象,针对S形检测试件刀轨进行了误差补偿的应用研究。
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