五轴联动数控机床精度建模与精度分配方法研究

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五轴联动数控机床作为现代制造业的核心装备,如何提高其加工精度对制造业的发展意义重大。由于数控机床是多个功能部件的集合体,其加工精度受到机床的受力变形、几何误差、热变形以及加工过程误差等诸多因素的影响。针对机床的载荷误差和几何误差,本文以五轴联动叶片加工中心为研究对象,基于有限元法对机床的静动态特性进行了研究,基于多体系统理论构建了整机的空间位置几何误差模型,并在此模型的基础上,利用多岛遗传算法对各项几何误差进行了优化分配。  首先,应用SolidWorks软件构建了加工中心的三维模型以确保与实际模型在尺寸和形状上的一致性,基于有限元法,从静力学分析、模态分析和谐响应分析三个方面入手,利用ANSYS Workbench软件对整机及关键零部件的静动态特性进行了研究。分析结果表明,立柱和床身的壁厚、筋板布局设计不合理导致的Z向刚度不足是造成机床变形较大的主要原因,为减小机床的受力变形、提高加工精度提供了理论依据。  其次,对数控机床的移动轴和转动轴进行了误差分析。根据多体系统理论的基本思想,研究了用拓扑结构、低序体阵列和齐次矩阵变换进行相邻体间坐标变换的方法。结合加工中心的结构和运动特点,将其抽象为多体系统的拓扑结构,用低序体阵列描述拓扑结构中各相邻体的关联性,对多体系统建立广义坐标系,利用齐次特征矩阵描述广义坐标系中各子坐标系间的耦合关系,推导出了加工中心的空间位置几何误差模型。通过对NAS979圆锥台试件进行虚拟加工,计算出该圆锥台的圆度误差,实现了对加工中心的精度检测。  最后,在误差模型的基础上,引入几何误差权重系数,构建了加工中心的整体精度—成本综合模型。通过对关键零部件按其加工特征进行分类,建立了与几何误差相关的总制造成本模型。以总制造成本最低为目标函数,建立了加工中心的精度分配多目标优化模型,利用Isight软件集成Matlab搭建了该优化模型的仿真工作流,在保证加工中心整体精度的前提下,基于多岛遗传算法实现了各项几何误差的优化分配。
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