基于直紋曲面試件的五軸機床精度檢驗方法研究.pdf

1、五軸數(shù)控機床具有優(yōu)異的空間可達性，加工時無需特殊夾具和刀具就能完成空間曲面的加工，在航空航天、船舶及高精密儀器等高端制造行業(yè)中得到廣泛應(yīng)用。五軸數(shù)控機床作為高端制造裝備的象征已經(jīng)成為了一個國家工業(yè)發(fā)展水平的重要標志。精度是數(shù)控機床最為重要的性能指標，傳統(tǒng)的定位精度等幾何精度用于評價數(shù)控機床靜態(tài)精度，而可直接反映加工精度的數(shù)控機床動態(tài)精度尚無權(quán)威的評價指標。隨著空間曲面五軸聯(lián)動加工的出現(xiàn)和加工效率提升的迫切需求，由機床動態(tài)特性引發(fā)的誤差在

2、總誤差中的占比不斷增大，特別是在復雜曲面高速加工中更加突出。國際標準化組織（ISO）制定的ISO10791和ISO230系列標準都只關(guān)注了靜態(tài)幾何精度檢測，缺少針對機床動態(tài)精度的檢驗方法。為保障五軸數(shù)控機床空間曲面的加工能力，研究曲面特征下的機床動態(tài)性能作用機理及五軸數(shù)控機床動態(tài)精度檢驗方法顯得尤為重要。
　　本文針對復雜直紋曲面?zhèn)茹娂庸?，提取了表達曲面形貌的多種幾何特征，分析了不同特征下的機床運動學規(guī)律，建立了零件輪廓誤差與上述

3、特征的映射關(guān)系，為作者前期發(fā)明的機床動態(tài)精度檢測試件—“S”形試件的進一步完善提供了理論依據(jù)和方法。論文主要研究內(nèi)容如下：
　　研究了基于NC代碼的機床各軸運動學規(guī)律和曲面輪廓誤差計算方法。通過分析直線軸和旋轉(zhuǎn)軸進給系統(tǒng)結(jié)構(gòu)模型，建立了包含伺服控制系統(tǒng)、機械傳動系統(tǒng)和檢測反饋系統(tǒng)的軸進給模型；基于多體系統(tǒng)理論，建立多軸聯(lián)動的刀具末端姿態(tài)計算模型。在此基礎(chǔ)上，在MATLAB環(huán)境下開發(fā)了機床運動學仿真工具，可根據(jù)NC代碼計算加工過程中

4、各軸實時的速度、加速度、加加速度，并基于給定的機床靜動態(tài)誤差因素，得到刀具中心點軌跡誤差，為后續(xù)不同曲面特征下的機床動態(tài)性能分析奠定基礎(chǔ)。
　　開展了直紋面曲率相關(guān)特征與機床軸運動特征的對應(yīng)關(guān)系研究。提取出包括曲率大小、曲率變化率和曲率連續(xù)性等幾何特征，以二軸聯(lián)動為例，推導了直線軸速度、加速度、加加速度在幾種特征下的表達式；設(shè)計了恒曲率、變曲率和曲率連續(xù)性等特征試件，在仿真工具和實際加工中驗證了直線軸的運動學規(guī)律?；诜抡婀ぞ哌M行

5、旋轉(zhuǎn)軸運動特性預測，并設(shè)計了曲率特征綜合試件，在西門子840D數(shù)控系統(tǒng)實時采集采集功能支持下，進行了試件實驗驗證，結(jié)合仿真結(jié)果驗證了各軸的運動規(guī)律。
　　研究了曲率相關(guān)特征與零件加工輪廓誤差的作用關(guān)系。在仿真計算刀具中心點軌跡的基礎(chǔ)上，建立了刀具包絡(luò)運動下的零件輪廓計算方法。以第三章中建立的曲率相關(guān)特征試件為例，計算了刀具真實運動下的輪廓誤差，給出了曲率大小、曲率變化率和曲率連續(xù)性特征下零件輪廓誤差分布規(guī)律，通過擴展機床拓撲結(jié)構(gòu)類

6、型和切削實驗，進一步驗證了曲率特征作用輪廓誤差的普適性規(guī)律。
　　開展了直紋面扭曲角特征對零件輪廓誤差的影響規(guī)律研究。針對非可展直紋曲面加工的刀具姿態(tài)，提出了表征直紋面扭曲角的開閉角特征，分析了開閉角轉(zhuǎn)換過程中扭曲、奇異區(qū)域的幾何特點。對于非可展直紋面提出以中線驅(qū)動減小加工原理誤差的方法；對于奇異點特征，分析了CA雙擺頭機床過象限的轉(zhuǎn)角突變原理。通過設(shè)計開閉角轉(zhuǎn)換試件，分別在BA、CA兩種結(jié)構(gòu)機床上進行輪廓誤差仿真和切削實驗，驗證

7、了開閉角特征作用下的輪廓誤差分布規(guī)律。
　　在直紋面的曲率和扭曲角作用下輪廓誤差分布規(guī)律的指導下，對原有“S”形試件定義進行完善，完成了包含直紋曲面相關(guān)幾何特征的新型“S”形試件的幾何建模；對目前常用五軸數(shù)控機床精度檢驗試件，通過與前述章節(jié)的研究成果進行對比分析，從理論上論證了“S”形試件在五軸數(shù)控機床動態(tài)精度檢測方面的全面性和敏感性，科學回答了“S”形試件在五軸機床動態(tài)精度檢驗中的優(yōu)越性。對“S”形試件的裝夾方案、加工工藝、測量