面向多体系统的五轴联动数控机床运动建模及几何误差分析研究

论文摘要

数控加工后置处理不仅是CAD/CAM技术和数控编程系统的重要组成部分,而且也是实现数控机床几何误差软件补偿的重要途径。后置处理的关键是机床运动求解,即根据机床的运动结构和各轴之间的运动关系把刀位文件中在工件坐标系中给出的的刀位数据转化为机床坐标系中数控机床各坐标轴的运动坐标。目前,机床运动求解的一般方法都是采用基于机床结构分类的无误差处理方法,而一种理想的后置处理系统应该能够对数控机床几何误差进行补偿。本文主要对五轴联动数控机床运动学建模,几何误差补偿及误差参数辨识等三个主要内容进行了研究,最后对该系统进行了验证,研究情况如下:（1）机床运动学建模研究了一种较为特殊的五轴联动数控机床结构,该机床刀具旋转轴线与Z轴成一定夹角。以此机床为例探索了基于多体系统的机床建模方法,建立了刀具旋转轴线与Z轴成任意夹角的数控机床运动学模型,为建立任意结构的数控机床运动学模型提供参考价值。并通过该模型将由前置刀位文件提供的刀轴矢量和刀位转换成数控机床各运动轴上的运动量。（2）几何误差补偿介绍了目前主流的五轴联动数控机床的运动结构,按照两个回转轴的配置情况,将五轴数控机床分为3类。按照多体系统理论,每类五轴联动数控机床的拓扑结构和低序体阵列相同,故3类机床分别以一种具体结构的机床为例,在参考双转台类型机床的几何误差建模基础上,完善基于多体系统的误差理论,用于各类五轴机床的误差建模。将运动学建模所得到的理想状态下的数控指令作为初值进行误差补偿后的数控指令的迭代求解。（3）误差参数辨识研究了平动轴和转动轴的误差辨识方法。在此基础上得到计算实际数控指令所需的误差参数。（4）系统验证利用Visual C++6.0开发工具对五轴联动数控机床后置处理系统进行了实现,最后采用VERICUT对理想状态下的后置处理进行了验证,对比了几何误差补偿前后的数控指令,并将几何误差补偿后的仿真模型同设计模型进行了误差对比。本文在研究五轴联动数控机床结构和多体系统理论的基础上探索了基于多体系统理论的机床运动建模方法。完善了基于多体系统的误差理论,使其可用于各类五轴机床。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题提出意义
• 1.2 数控机床误差产生的原因
• 1.3 误差补偿的两种思路
• 1.4 误差建模的发展
• 1.5 目前存在的问题
• 1.6 课题研究内容
• 第2章 多体系统误差分析建模的运动学理论
• 2.1 多体系统描述的基本方法
• 2.2 多体系统的坐标系及点和矢量的表示
• 2.3 理想运动的变换矩阵
• 2.3.1 旋转运动特征矩阵
• 2.3.2 平移运动特征矩阵
• 2.4 实际运动的变换矩阵
• 第3章 基于多体系统理论的五轴联动数控机床运动学模型建立
• 3.1 五轴联动数控机床结构
• 3.1.1 工作台双回转
• 3.1.2 刀具双摆动
• 3.1.3 刀具摆动与工作台回转
• 3.2 五轴联动数控机床运动学模型建立
• 3.2.1 拓扑结构和低序体阵列
• 3.2.2 特征矩阵和运动学模型求解
• 3.3 无误差补偿情况下软件的验证
• 3.3.1 软件的验证
• 3.3.2 实际加工中遇到的问题及解决方法讨论
• 第4章 基于多体系统理论的五轴数控机床通用几何误差建模
• 4.1 刀具与工作台分别回转机床几何误差模型的建立
• 4.1.1 特征矩阵
• 4.1.2 空间误差模型
• 4.2 工作台双转动机床几何误差模型的建立
• 4.2.1 拓扑结构和低序体阵列
• 4.2.2 特征矩阵
• 4.2.3 空间误差模型
• 4.3 刀具双摆动机床几何误差模型的建立
• 4.3.1 拓扑结构和低序体阵列
• 4.3.2 特征矩阵
• 4.3.3 空间误差模型
• 第5章 五轴数控机床误差参数辨识
• 5.1 多轴机床平动系统几何误差的九线法辨识
• 5.1.1 X、Y、Z轴单元误差辨识
• 5.1.2 平动轴垂直度误差辨识
• 5.2 回转轴误差辨识
• 5.2.1 基于轴向跳动误差的定位误差辨识
• 5.2.2 基于径向跳动误差的颠转误差与偏转误差及位移误差辨识
• 5.2.3 基于回转误差的滚转误差辨识
• 第6章 五轴数控机床软件误差补偿
• 6.1 刀具摆动与工作台回转机床的几何误差补偿
• 6.1.1 刀具路线至数控指令的关系式
• 6.1.2 实际数控指令的生成
• 6.2 工作台双转动机床的几何误差补偿
• 6.3 刀具双摆动机床的几何误差补偿
• 6.4 软件误差补偿结果
• 结论
• 致谢
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表的论文和参与项目