论文部分内容阅读
五轴数控机床具有三个移动轴和两个转动轴,可以同时调整刀心位置和刀轴方向,能够加工几何形状比较复杂和精度要求较高的自由曲面,广泛应用于模具、航空航天零件、精密医疗器械等设备的加工,反映了一个国家或地区的制造业发展水平。在五轴数控加工中存在着各种误差,如机床自身在加工和装配中产生的几何误差,温度变化引起的变形误差、切削力不均衡导致的误差、各轴动态特性和控制参数不匹配引起的误差等等。这些误差最终都会直接或间接地导致零件的加工轮廓与理论轮廓之间的偏差,即轮廓误差。所以对轮廓误差进行补偿控制,可以有效提高零件的加工精度。五轴机床相比三轴机床多出来两个转动轴,可以调整刀具姿态加工自由曲面,但也正是因为如此,其轮廓误差补偿变得更加复杂。为了减小五轴联动加工中的轮廓误差,提高加工精度,本文提出了一种基于运动学模型的轮廓误差补偿控制方法。主要研究内容如下:(1)针对双转台五轴联动数控机床,采用D-H法建立了数控机床运动学模型,包括运动学正解和运动学逆解,揭示了三个移动轴、两个转动轴的运动量与工件坐标系下刀具位置姿态之间的映射关系。运用运动学正解模型,分析了五个进给轴对刀心位置偏差和刀轴方向偏差的影响规律,为后面的轮廓误差补偿控制提供了理论依据。(2)在五轴数控机床中,刀具的刀心位置和刀轴方向同时决定着加工轮廓表面的形状和尺寸,所以本文把轮廓误差分为两部分:刀心位置轮廓误差和刀轴方向轮廓误差,并针对任意空间曲线建立了这两种轮廓误差的计算模型。(3)由于转动轴的存在导致刀轴方向的改变,同时引起刀心位置非线性运动,传统的轮廓误差交叉耦合控制器无法应用于五轴机床。本文针对提出的两种轮廓误差,设计了一种轮廓误差补偿控制方法:利用轮廓误差计算模型和正逆解模型把轮廓误差补偿量分配到三个移动轴和两个转动轴中,并使用粒子群优化算法优化了PID控制器的参数。(4)根据设计的轮廓误差补偿方法和进给伺服系统的动力学模型,编写Matlab仿真程序,通过对比使用轮廓误差补偿控制前后两次仿真加工结果,验证了该控制方法能有效减小轮廓误差。