五軸數(shù)控機(jī)床綜合誤差建模分析

楚丹妮

摘要：隨著現(xiàn)代制造業(yè)的不斷發(fā)展，精密和超精密加工技術(shù)發(fā)揮著越來越重要的作用。 作為新興高科技產(chǎn)業(yè)和尖端產(chǎn)業(yè)發(fā)展的基本設(shè)備，數(shù)控機(jī)床廣泛用于生產(chǎn)現(xiàn)場。 目前，對5軸CNC機(jī)床的綜合建模和測量技術(shù)的研究仍然很少。 在國家科技大學(xué)“高端數(shù)控機(jī)床和基礎(chǔ)制造設(shè)備”項(xiàng)目的支持下，本文主要研究五軸數(shù)控機(jī)床的綜合誤差建模進(jìn)行了分析，以供同行參考。

關(guān)鍵詞：五軸數(shù)控機(jī)床;誤差;建模

引言：

當(dāng)前，最新的機(jī)器制造技術(shù)正在向高效率，高質(zhì)量，高精度，高集成度和高??智能化發(fā)展，并且以五軸數(shù)控機(jī)床為代表的高端數(shù)控機(jī)床的發(fā)展尤其迅速。是的。經(jīng)過多年的發(fā)展，中國的機(jī)床生產(chǎn)取得了豐碩的成果，成為領(lǐng)先的機(jī)床制造商之一，但在技術(shù)水平和綜合實(shí)力上仍處于世界先進(jìn)水平。我耽擱了目前，中國的豪華數(shù)控機(jī)床市場大部分是外國產(chǎn)品。如果僅依靠進(jìn)口，則不僅會消耗大量外幣，而且在進(jìn)口高級機(jī)床時也會受到控制。隨著現(xiàn)代制造業(yè)對精密加工的需求增加，對高精度CNC機(jī)床的需求也增加，因此提高機(jī)床產(chǎn)品的精度非常重要。

1.國內(nèi)外數(shù)控機(jī)床誤差建模與測量技術(shù)的研究現(xiàn)狀

1. 1國外研究現(xiàn)狀

在國外，數(shù)控機(jī)床誤差建模在經(jīng)過許多年的發(fā)展后，其技術(shù)與理論在不斷完善，使用也比較廣泛。根據(jù)對機(jī)床誤差的認(rèn)識不同可以分為以下幾個階段：

（1）探索探索階段。 瑞士是最早發(fā)現(xiàn)和研究機(jī)床熱變形現(xiàn)象的國家之一。 1933年，瑞士對鏜床進(jìn)行了測量和分析，發(fā)現(xiàn)機(jī)床的熱變形是影響定位精度的主要因素。

（2）機(jī)制研究階段。 在1960年代，來自不同國家的研究人員對機(jī)床錯誤的原因進(jìn)行了大量研究，并嘗試將分析和數(shù)字技術(shù)用于計算機(jī)床結(jié)構(gòu)的熱膨脹和變形。 1961年，DLLeete通過三角關(guān)系得出了機(jī)床的幾何誤差。 1970年代中期，舒爾茨克（Schultschick）使用矢量表示法為三軸坐標(biāo)鏜床建立了空間誤差模型。 同時，日本提出了一種校正主軸熱變形的方法，并通過在實(shí)際加工過程中檢測特定點(diǎn)的溫度，利用溫度與熱變形之間的關(guān)系來校正機(jī)床滑塊的運(yùn)動。

1.2國內(nèi)現(xiàn)狀

自1980年代以來，上海交通大學(xué)一直在測量，分析和研究機(jī)床的熱特性，獲取機(jī)床溫度場圖，并開始進(jìn)行差異研究。 1993年，華中工業(yè)大學(xué)開發(fā)了一種在線檢測和顯示系統(tǒng)，用于檢測機(jī)床主軸的溫度升高和熱變形。 1995年，華中工業(yè)大學(xué)提出了一種基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)識別的影響機(jī)床熱誤差關(guān)鍵點(diǎn)的方法。

自1998年以來，上海交通大學(xué)楊建國教授的研究團(tuán)隊一直致力于誤差建模，測量，補(bǔ)償， 并做了很多關(guān)于識別的研究。 ，取得了一系列科研成果。 CNC車削中心的熱模式分析和研究優(yōu)化了機(jī)床的溫度傳感器分布，并提出了一種新的熱誤差魯棒性建模方法。 研發(fā)的熱糾錯系統(tǒng)應(yīng)用于數(shù)控車削中心。 熱誤差已從35um減小到小于10um，并且實(shí)時補(bǔ)償技術(shù)的使用正逐漸應(yīng)用于工廠公司。

2.五軸數(shù)控機(jī)床誤差綜合建模

2.1五軸數(shù)控機(jī)床運(yùn)動鏈分析

機(jī)器結(jié)構(gòu)通常由一系列運(yùn)動對連接組成，以實(shí)現(xiàn)工具和工件的相對運(yùn)動。 在理想情況下，刀尖位置應(yīng)與工件加工點(diǎn)匹配，但由于錯誤，兩個點(diǎn)不一定匹配?？臻g定位誤差在要加工的工件和刀尖之間。在誤差建模中，工具和工件都隨著滑架的移動而變化，因此必須將兩個坐標(biāo)統(tǒng)一轉(zhuǎn)換為固定坐標(biāo)系，這通常是在機(jī)床的固定底座上獲得的。由于刀具和工件可以獨(dú)立移動，因此可以相對固定的參考系定義兩個運(yùn)動鏈：刀具運(yùn)動鏈和工件運(yùn)動鏈，（圖1）為一般機(jī)床的刀具和工件之間的聯(lián)結(jié)鏈，表達(dá)出了刀具和工件之間的聯(lián)系。全面的誤差建模意味著在不同的運(yùn)動部件上建立坐標(biāo)系，然后通過坐標(biāo)變換將刀具和工件轉(zhuǎn)換為機(jī)床參考坐標(biāo)系，理論上理想的切入點(diǎn)應(yīng)形成一個封閉的向量鏈，也就是說，兩者位于同一坐標(biāo)點(diǎn)，但實(shí)際上兩者之間存在差異，這是機(jī)床的綜合誤差。

2.2 五軸數(shù)控機(jī)床誤差綜合建模

建立誤差綜合模型的一般步驟為：

（1）建立一系列坐標(biāo)系和變換矩陣

在使用統(tǒng)一坐標(biāo)變換導(dǎo)出誤差運(yùn)動的數(shù)學(xué)模型的過程中，創(chuàng)建了一系列運(yùn)動工具對，以在計算機(jī)底座工具提示和要加工的工件之間產(chǎn)生空間誤差，需要建立坐標(biāo)系并執(zhí)行坐標(biāo)轉(zhuǎn)換， 矩陣提供了運(yùn)動對之間的誤差的運(yùn)動學(xué)描述。

（2）建立工具，工件和參考坐標(biāo)系之間的關(guān)系

根據(jù)刀具運(yùn)動鏈和工作運(yùn)動鏈每個運(yùn)動對的連接關(guān)系，分別將刀具坐標(biāo)系相對于參考坐標(biāo)系和工件坐標(biāo)系的齊次坐標(biāo)變換矩陣與理想狀態(tài)參考和誤差狀態(tài)參考進(jìn)行比較，坐標(biāo)系的同構(gòu)坐標(biāo)變換矩陣。

（3） 建立刀具和工件之間的關(guān)系

根據(jù)機(jī)床刀尖和工件的理想切削點(diǎn)，理論上應(yīng)該是同一點(diǎn)，但實(shí)際上它們之間是有區(qū)別的，這就是機(jī)床的空間定位誤差。 求解方程將產(chǎn)生一個綜合誤差模型，其中包括幾何誤差和熱誤差。

結(jié)束語：

五軸數(shù)控機(jī)床在中國經(jīng)濟(jì)發(fā)展中發(fā)揮著重要作用。 為了滿足工業(yè)制造中復(fù)雜和精密零件的加工要求，并提高機(jī)械制造效率并降低成本，五軸數(shù)控機(jī)床具有顯著的優(yōu)勢并滿足以上要求。

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