【摘要】：制造業(yè)是國家國民經(jīng)濟(jì)的支柱產(chǎn)業(yè),數(shù)控機(jī)床特別是五軸數(shù)控機(jī)床,已成為各行業(yè)不可或缺的工作母機(jī),是一個國家生產(chǎn)能力和自動化水平的重要標(biāo)志。在高速高精密加工過程中,五軸機(jī)床的聯(lián)動性能已成為影響工件加工質(zhì)量的重要因素,研究影響工作精度的五軸機(jī)床聯(lián)動性能測試問題對提高五軸聯(lián)動機(jī)床的加工能力和加工精度有著十分重要的意義。本文圍繞影響五軸數(shù)控機(jī)床工作精度的多軸聯(lián)動性能問題,研究加工過程中的多軸聯(lián)動誤差形成機(jī)理,對數(shù)控機(jī)床伺服控制系統(tǒng)性能在多軸聯(lián)動精度、標(biāo)準(zhǔn)試件表面質(zhì)量上的影響規(guī)律進(jìn)行研究,探尋針對五軸數(shù)控機(jī)床聯(lián)動精度的高效檢測手段,研究基于RTCP(Rotation tool center point)和S試件的五軸機(jī)床聯(lián)動性能檢測方法,揭示五軸機(jī)床多軸聯(lián)動時刀具刀尖點誤差以及S試件的異常表面紋理形成機(jī)理。研究五軸數(shù)控機(jī)床聯(lián)動誤差溯源方法,為五軸數(shù)控機(jī)床的動態(tài)參數(shù)調(diào)整提供指導(dǎo)性建議。研究內(nèi)容與各章節(jié)對應(yīng)關(guān)系為:第二章中依據(jù)五軸機(jī)床結(jié)構(gòu)建立五軸機(jī)床聯(lián)動誤差模型。第三章研究在標(biāo)準(zhǔn)檢驗試件上局部異常表面形成中五軸機(jī)床聯(lián)動性能的作用機(jī)理。第四章開展基于RTCP檢測的五軸機(jī)床聯(lián)動性能測試原理分析。第五章開展基于RTCP檢測的五軸機(jī)床聯(lián)動性能測試軌跡比較研究。第六章開展基于RTCP特定檢測軌跡下的五軸機(jī)床聯(lián)動性能差異溯源方法研究。經(jīng)本文工作得到以下研究成果:(1)揭示五軸機(jī)床聯(lián)動加工中機(jī)床聯(lián)動性能與工件表面結(jié)構(gòu)之間的內(nèi)在聯(lián)系規(guī)律。利用五軸機(jī)床聯(lián)動誤差模型,仿真分析五軸機(jī)床聯(lián)動性能對工件輪廓誤差的作用過程,通過高通濾波提取輪廓誤差中表面微觀成分,放大后直接疊加在工件表面,顯示出不同位置的表面質(zhì)量,證明五軸機(jī)床聯(lián)動誤差是引起工件表面異常的主要原因。以標(biāo)準(zhǔn)試件NAS979圓錐臺試件和S試件為研究對象,分析其幾何特征和機(jī)床加工運(yùn)動特征,發(fā)現(xiàn)S試件具備變化的曲率、曲面不連續(xù)、豐富的運(yùn)動狀態(tài)等特征。通過標(biāo)準(zhǔn)試件仿真和試切實驗,證明表面質(zhì)量與機(jī)床聯(lián)動誤差之間的內(nèi)在聯(lián)系。通過對比分析相同聯(lián)動性能狀態(tài)下的NAS979圓錐臺試件和S試件的表面質(zhì)量,發(fā)現(xiàn)S試件不同位置的表面質(zhì)量存在明顯差異,相比NAS979圓錐臺試件,S試件可更直觀有效地展示五軸機(jī)床聯(lián)動性能的優(yōu)劣�；赟試件表面質(zhì)量的五軸機(jī)床聯(lián)動性能測試方法可用于直觀有效地檢測五軸機(jī)床加工過程中的聯(lián)動性能,保障五軸機(jī)床的加工能力和加工精度。(2)提出一種不同于ISO標(biāo)準(zhǔn)的RTCP檢測軌跡來有效便捷地展現(xiàn)五軸機(jī)床聯(lián)動性能。平動軸和旋轉(zhuǎn)軸動態(tài)誤差對刀具刀尖點誤差有著不同的作用規(guī)律,表明基于RTCP的五軸機(jī)床聯(lián)動性能測試方法可以有效地檢測五軸機(jī)床的聯(lián)動性能。通過分析平動軸運(yùn)動和旋轉(zhuǎn)軸運(yùn)動之間的關(guān)系,確定利用旋轉(zhuǎn)軸運(yùn)動參數(shù)表征RTCP檢測軌跡的定義方法。分析旋轉(zhuǎn)軸運(yùn)動參數(shù)對RTCP檢測結(jié)果的影響規(guī)律,提出不同于ISO標(biāo)準(zhǔn)軌跡的基于余弦函數(shù)的檢測軌跡定義方法,并定義了4條余弦軌跡。對比分析4條余弦軌跡和ISO標(biāo)準(zhǔn)軌跡的幾何特性、運(yùn)動特性和運(yùn)行檢測軌跡時刀具刀尖點誤差對機(jī)床聯(lián)動性能參數(shù)的靈敏度,發(fā)現(xiàn)圓形軌跡s2T和8字形軌跡s3T具有變化的曲率、更豐富的聯(lián)合運(yùn)動速度狀態(tài)和更高的誤差靈敏度。以靈敏度最優(yōu)為目標(biāo)函數(shù),基于遺傳算法優(yōu)化RTCP檢測軌跡,獲得機(jī)床各類動態(tài)性能相應(yīng)的優(yōu)化檢測軌跡——s3T軌跡、345sT軌跡和390sT軌跡。通過仿真與實驗,表明不同的機(jī)床聯(lián)動誤差類型在不同的RTCP檢測軌跡下有不盡相同的誤差表現(xiàn),驗證RTCP優(yōu)化檢測軌跡在五軸機(jī)床聯(lián)動性能檢測能力上的優(yōu)越性。(3)提出一種基于圖像識別的聯(lián)動誤差類別溯源方法和基于軌跡相似度的聯(lián)動誤差精確溯源方法相結(jié)合的五軸機(jī)床聯(lián)動性能差異溯源方法。以執(zhí)行8字形檢測軌跡時刀具刀尖點誤差為研究對象,依據(jù)不同五軸機(jī)床聯(lián)動性能下刀具刀尖點誤差軌跡的差異特征,將機(jī)床聯(lián)動誤差分為75類,對刀具刀尖點誤差軌跡在多維度中的軌跡圖形進(jìn)行歸一化,并利用傅里葉描述子提取刀具刀尖點誤差軌跡特征,與機(jī)床聯(lián)動誤差標(biāo)準(zhǔn)圖庫中的誤差軌跡圖比對,找尋最相近的圖形,確定五軸機(jī)床聯(lián)動誤差類型。通過軌跡相似度溯源方法準(zhǔn)確溯源得到五軸機(jī)床各驅(qū)動軸聯(lián)動性能差異。通過五軸機(jī)床聯(lián)動性能差異溯源實驗,驗證基于圖像識別和軌跡相似度的五軸機(jī)床聯(lián)動聯(lián)系性能差異溯源方法可以準(zhǔn)確的溯源五軸機(jī)床聯(lián)動性能差異,為五軸機(jī)床伺服參數(shù)的調(diào)整提供指導(dǎo)性建議。利用圖像識別方法縮小誤差范圍,再利用軌跡相似度準(zhǔn)確溯源的溯源方法既保證了溯源結(jié)果的準(zhǔn)確性,又提升了溯源效率,從而可以更有效、便捷地利用刀具刀尖點誤差溯源五軸機(jī)床聯(lián)動性能差異。
[Abstract]:Manufacturing industry is the pillar industry of the national economy. NC machine tools, especially five-axis NC machine tools, have become indispensable to all walks of life and an important symbol of national production capacity and automation level. It is very important to study the testing problem of the five-axis machine tool linkage performance which affects the working accuracy for improving the machining ability and precision of the five-axis machine tool. The effect of servo control system on multi-axis linkage accuracy and surface quality of standard specimens is studied. An efficient testing method for five-axis NC machine tool linkage accuracy is explored. The testing method of five-axis machine tool linkage performance based on RTCP (Rotation Tool Center Point) and S specimens is studied to reveal the cutting tool of five-axis machine tool in multi-axis linkage. This paper studies the Traceability Method of 5-axis NC machine tool linkage error, and provides guidance suggestions for dynamic parameter adjustment of 5-axis NC machine tool. The mechanism of five-axis machine tool linkage performance in the formation of local abnormal surfaces on standard test specimens is studied. Chapter 4 analyzes the testing principle of five-axis machine tool linkage performance based on RTCP testing. Chapter 5 compares the testing trajectories of five-axis machine tool linkage performance based on RTCP testing. The following research results have been obtained: (1) To reveal the inherent relationship between the linkage performance and the surface structure of the workpiece in the five-axis machine tool linkage machining. In the process of action, the surface micro-component of contour error is extracted by high-pass filter, and then magnified and directly superimposed on the surface of the workpiece to show the surface quality of different positions. It is proved that the five-axis machine tool linkage error is the main cause of abnormal surface of the workpiece. It is found that S specimens possess the characteristics of varying curvature, discontinuous curved surface and abundant motion state. The internal relationship between surface quality and linkage error of machine tools is proved by simulation and test of standard specimens. Compared with the NAS979 conical table, the S specimen can show the advantages and disadvantages of the five-axis machine tool linkage performance more intuitively and effectively. (2) This paper presents a RTCP testing track which is different from ISO standard to display the linkage performance of five-axis machine tools effectively and conveniently. The dynamic errors of translational axis and rotational axis have different effects on tool tip errors, indicating that the RTCP-based testing method for five-axis machine tools is feasible. By analyzing the relationship between translational axis motion and rotational axis motion, the definition method of RTCP detection trajectory characterized by rotational axis motion parameters is determined. The influence of rotational axis motion parameters on RTCP detection results is analyzed, and the detection method based on cosine function different from ISO standard trajectory is proposed. Four cosine trajectories are defined. The geometric characteristics of four cosine trajectories and ISO standard trajectories, the sensitivity of tool tip error to machine tool linkage performance parameters are compared and analyzed. It is found that circular trajectory s2T and zigzag trajectory s3T have variable curvature and more abundant joint velocity. Degree state and higher error sensitivity. Taking the optimum sensitivity as the objective function, the RTCP detection trajectory is optimized based on genetic algorithm. The corresponding optimized detection trajectories of various dynamic performances of machine tools are obtained: s3T trajectory, 345sT trajectory and 390sT trajectory. The results show that the RTCP optimized detection trajectory is superior to the five-axis machine tool in the detection ability of linkage performance. (3) An image recognition-based linkage error category tracing method and a trajectory similarity-based linkage error precise tracing method are proposed. Based on the different characteristics of tool tip error trajectory under different five-axis machine tool linkage performance, the machine tool linkage error is divided into 75 categories. The tool tip error trajectory is normalized in multi-dimension, and the tool is extracted by Fourier descriptor. The characteristics of tool point error trajectory are compared with the error trajectory in the standard library of machine tool linkage error to find the closest graph and determine the type of five-axis machine tool linkage error. This paper proves that the Traceability Method Based on image recognition and trajectory similarity can accurately trace the difference of five-axis machine tool linkage performance and provide guidance suggestions for adjusting servo parameters of five-axis machine tool. The accuracy of the traceability results is guaranteed, and the traceability efficiency is improved. Therefore, the tool tip error can be used to trace the linkage performance difference of five-axis machine tools more effectively and conveniently.
【學(xué)位授予單位】：電子科技大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2017
【分類號】：TG659

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號：2183364