雙轉(zhuǎn)臺五軸數(shù)控機床誤差的動態(tài)實時補償研究.pdf

1、五軸機床屬典型的多坐標聯(lián)動機床，由于其同時具有移動和旋轉(zhuǎn)刀具(或工件)的能力，可以對幾何形狀比較復雜和精度要求較高的自由曲面進行加工，具有很高的靈活性，在精密制造領域的應用越來越廣泛。本文針對五軸聯(lián)動機床的機床誤差，在國家科技重大專項“高檔數(shù)控機床與基礎制造裝備”等項目資助和支持下，以上海交通大學與上海電氣中央研究院等聯(lián)合研制的雙轉(zhuǎn)臺五軸聯(lián)動數(shù)控機床為主要對象，進行了五軸機床的高效檢測、數(shù)學建模和補償實施等研究，證明了基于軟件的誤差補償

2、技術(shù)是提高五軸數(shù)控機床加工精度既經(jīng)濟又有效的方法。
　　 本文的主要內(nèi)容如下：
　　 (1)建立了五軸機床的綜合數(shù)學模型。在分析五軸機床的基本結(jié)構(gòu)和機械加工工藝系統(tǒng)主要誤差源的基礎上，分別指出五軸機床的幾何誤差、熱誤差和切削力誤差的來源及其在各運動軸及主軸誤差中的表現(xiàn)形式，得到了97項誤差元素，并根據(jù)同一運動部件在相同運動自由度上幾何誤差、熱誤差和切削力誤差的線性疊加關(guān)系，簡化得到42項誤差元素。在對機床總體運動鏈進行分

3、析的基礎上，基于小角度假設，應用剛體運動的齊次坐標變換理論，建立了五軸機床的綜合誤差模型，并以雙轉(zhuǎn)臺五軸機床為例，推導了位置誤差和方向誤差的數(shù)學公式，該模型和公式可以拓展到其他結(jié)構(gòu)的五軸機床，為誤差補償?shù)膶嵤┐蛳禄A。
　　 (2)提出了一種五軸數(shù)控機床誤差的高效測量方法。在ISO230-6推薦的一種沿著體對角線進行數(shù)控機床精度檢驗的方法基礎上，通過與美國光動公司合作，提出了一種沿體對角線的機床空間幾何誤差的激光矢量測量方法，利

4、用激光多普勒位移測量儀，通過分步測量機床工作空間的4條體對角線，并結(jié)合空間定位誤差綜合模型，得到9組用于誤差補償?shù)倪\動與誤差之間關(guān)系的信息，可以實現(xiàn)機床誤差的快速高效測量和標定，在一臺帶有旋轉(zhuǎn)軸的機床上分別對工作空間的體對角線和旋轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)角定位誤差進行了分步測量，相比傳統(tǒng)的誤差檢測方法，可以用較少的試驗時間和步驟實現(xiàn)同樣效果，進而提高誤差補償?shù)男省?br>　　 (3)進行了五軸機床溫度測點優(yōu)化研究。針對五軸機床自身結(jié)構(gòu)和熱動態(tài)過程都

5、相當復雜的特點，通過在機床熱敏感位置布置了24個傳感器進行機床熱動態(tài)過程的溫度測量，并建立了基于熱特性分析與相關(guān)性理論相結(jié)合的測點優(yōu)化策略，篩選得到4個熱特征敏感位置，該方法與應用灰色系統(tǒng)理論等方法得到了相同結(jié)果，而運算過程更為簡便。采用這4個溫度測點建立的機床熱誤差模型簡化了結(jié)構(gòu)，減少運算數(shù)據(jù)量，使熱誤差模型的預測精度和魯棒性得到提高。
　　 (4)建立了基于人工神經(jīng)網(wǎng)絡的五軸機床熱誤差模型。應用神經(jīng)網(wǎng)絡理論學習能力和外推特性

6、，提出了適應機床工況變化條件下的在線建模方法和模型，并與時間序列理論、模糊理論相結(jié)合，充分利用了人工神經(jīng)網(wǎng)絡的自學習能力，建模基于神經(jīng)網(wǎng)絡的熱誤差模型，通過對實測機床熱誤差進行建模和預報試驗，證明基于神經(jīng)網(wǎng)絡的熱誤差模型具有良好的預報性能。
　　 (5)提出了一種適合五軸機床特點的分步解耦補償實施策略。以工件坐標系為基礎坐標系，應用齊次坐標系變換理論，推導了任一時刻各移動軸和旋轉(zhuǎn)軸運動在工件坐標系中的位置誤差數(shù)學表達式。針對五軸

7、機床的移動軸和轉(zhuǎn)動軸同時運動存在耦合的特點，建立一種分步實施的補償策略。即首先進行姿態(tài)誤差補償，通過旋轉(zhuǎn)軸的旋轉(zhuǎn)運動將工件的實際姿態(tài)調(diào)整到與理想姿態(tài)相同，然后通過移動軸的平移運動進行位置誤差補償，并相應建立五軸機床誤差補償數(shù)學模型。通過仿真分析和對曲面零件的實時補償加工試驗，明顯提高了加工精度，同時有效避免了直接進行補償加工過程中可能帶來的運動干涉情況，從而驗證了該五軸機床誤差補償數(shù)學模型及其實時補償?shù)目尚行院陀行?，使補償過程既簡便易

8、行又可靠有效。
　　 (6)進行了五軸機床誤差補償?shù)脑囼烌炞C。利用不同數(shù)控系統(tǒng)提供的外部機床坐標系偏置功能，應用開發(fā)的誤差補償裝置，采用本文提出的建模方法和控制策略，在雙轉(zhuǎn)臺五軸機床上進行誤差實時補償實施，驗證五軸機床誤差模型的精度和補償策略的適應性。該補償裝置將誤差補償值通過外部機床坐標系的偏置加到位置伺服環(huán)的控制信號中而實現(xiàn)機床誤差的實時補償，不需要修改數(shù)控指令及數(shù)控系統(tǒng)的軟硬件，已在國內(nèi)數(shù)家企業(yè)的數(shù)控機床上實施了獲得了滿意