【摘要】：本課題在國家科技專項的背景下,針對沈陽機(jī)床集團(tuán)的三軸立式加工中心VMC850B批量化生產(chǎn),進(jìn)行誤差建模與精度設(shè)計�？傮w而言,建立了該型號的整機(jī)空間誤差模型、以及對應(yīng)該型號機(jī)床三個平動軸部件的單軸裝配體誤差模型;基于建立的模型,利用機(jī)床的結(jié)構(gòu)尺寸參數(shù)和主要零件的精度等級,進(jìn)行了零件-部件-整機(jī)的正向精度設(shè)計,驗證了機(jī)床誤差模型的準(zhǔn)確性;以精度分析的結(jié)果為數(shù)據(jù)基礎(chǔ),將整機(jī)的精度分配抽象為有約束最小化問題進(jìn)行了解決,并以此調(diào)整了機(jī)床零件的精度等級,實(shí)現(xiàn)整機(jī)-部件-零件的逆向精度分配,并再次進(jìn)行正向精度分析來驗證精度分配的合理性。主要的研究內(nèi)容如下:(1)基于齊次坐標(biāo)變換原理,考慮PIGEs和PDGEs,建立了三軸立式加工中心的整機(jī)空間誤差模型�？紤]部件實(shí)際初始位置,確定機(jī)床單軸部件擁有12項部件誤差(6項PIGEs和6項PDGEs);通過確定運(yùn)動鏈、建立轉(zhuǎn)換矩陣、求解逆變換等一系列操作,獲得考慮PIGEs和PDGEs對應(yīng)的整機(jī)空間誤差模型;通過調(diào)整,36項部件誤差調(diào)整為與主流思想一致的21項部件誤差;以思路與方法入手,對比本文建立的整機(jī)空間誤差模型和其他模型,突出本文的模型中,考慮安裝工序,垂直度誤差以部件PIGEs的方式引入整機(jī)空間誤差模型的方法。(2)基于小位移旋量理論,系統(tǒng)地建立了單軸裝配體機(jī)理性的誤差模型。通過對機(jī)床單軸裝配體的安裝工序的研究,明確主要零件誤差源;以導(dǎo)軌相關(guān)以及絲桿相關(guān)的裝配路徑為依托,利用小位移旋量SDT對零件公差進(jìn)行表征,以齊次坐標(biāo)變換矩陣對零件公差進(jìn)行累積傳遞,完成了兩條子裝配路徑的誤差建模;通過并聯(lián)裝配誤差路徑判別以及PDGEs和PIGEs融合,完成單軸裝配體的最終誤差綜合,形成以零件特征對應(yīng)的旋量為自變量,以零件公差要求設(shè)定控制方程的單軸裝配體的誤差模型。(3)基于蒙特卡洛模擬理論,完成了立式加工中心的精度分析。在無批量化的機(jī)床誤差實(shí)測數(shù)據(jù)的前提下,合理利用蒙特卡洛模擬,根據(jù)實(shí)際的機(jī)床主要零件的精度等級,擬合出符合要求的虛擬的1000臺立式加工中心的全套零件誤差數(shù)據(jù),進(jìn)行零件-部件-整機(jī)的精度分析;將零件-部件層次的精度分析結(jié)果,與對應(yīng)的立式加工中心幾何精度標(biāo)準(zhǔn)、10臺主機(jī)廠內(nèi)的同型號機(jī)床以及1臺實(shí)驗室同型號機(jī)床的實(shí)測數(shù)據(jù)對比,驗證單軸裝配體的精度分析的正確性,同時驗證單軸裝配體的誤差模型的正確性;基于零件-部件的精度分析結(jié)果,進(jìn)行部件-整機(jī)層面的精度分析,空間誤差的擬合結(jié)果以誤差橢圓球以及統(tǒng)計圖的形式表征,并進(jìn)行相關(guān)數(shù)據(jù)分析。(4)基于有約束最小化問題解決方案,完成了立式加工中心的精度分配。在整機(jī)誤差貢獻(xiàn)度分析的基礎(chǔ)上,以最優(yōu)化問題為原型,抽象出目標(biāo)函數(shù)、設(shè)計變量與約束條件,將整機(jī)精度分配問題完全抽象成一個有約束最小化問題;針對兩個不同目標(biāo)的分配任務(wù),完成對應(yīng)的精度分配任務(wù),明確定位精度等部件誤差在精度分配中的重要性;基于單軸裝配體的誤差模型,結(jié)合整機(jī)精度分配的分析結(jié)果,進(jìn)行零件誤差對部件誤差的定性影響分析,對實(shí)際的零件精度等級進(jìn)行調(diào)整,并在此基礎(chǔ)上,再次進(jìn)行機(jī)床的精度分析,以此驗證了立式加工中心精度分配的合理準(zhǔn)確性。總體而言,本文對批量化三軸立式加工中心VMC850B進(jìn)行誤差建模與精度設(shè)計,建立了該型號機(jī)床的誤差模型(包括整機(jī)空間誤差模型和單軸裝配的誤差模型),基于實(shí)際零件精度進(jìn)行精度正向分析,并以精度分配的手段,調(diào)整主要零件的精度,達(dá)到加工精度最優(yōu)與生產(chǎn)成本最優(yōu)。
【圖文】：

1 1 1x , y ,z 與 2 2 2x , y ,z 分別是點(diǎn) P 在空間滿足如下的關(guān)系：1 2 11 12 13 1421 2 21 22 23 2421 2 31 32 33 34241 42 43 441 1 1BAx x a a a axy y a a a ayTz z a a a aza a a a 標(biāo)系 A 中 P 點(diǎn)的坐標(biāo)位置 1 1 1x , y ,z 轉(zhuǎn)換次坐標(biāo)變換矩陣（如圖 2-1 所示）。坐標(biāo)系軸和 z 軸平移距離x 、y 、z ；x 軸、y 、z 。

任意機(jī)床均是由運(yùn)動部件組成，三軸數(shù)控機(jī)床只有 X 軸、Y 軸、Z 軸 3 個平移運(yùn)動部件；四軸（五軸）數(shù)控機(jī)床在此基礎(chǔ)上，加以旋轉(zhuǎn)運(yùn)動部件 A 軸（以及B 軸）。本文研究的對象是批量化的立式加工中心 VMC850B，屬于三軸數(shù)控機(jī)床，因此本文關(guān)于部件誤差的分析主要以平動軸為主。根據(jù)論文[53]的介紹，機(jī)床任意部件均包括位置相關(guān)誤差（Positional-dependentgeometricerrors，PDGEs）和位置獨(dú)立誤差（Positional-independentgeometricerrors，PIGEs）。其中 PDGEs 表示單一運(yùn)動部件隨運(yùn)動位置的不同而變換的六維位姿誤差；PIDGs 表示運(yùn)動部件相對于前次序的部件[12]的相對位姿誤差。以 VMC850B中的 Y 軸運(yùn)動部件為例（如圖 2-2 所示），，其前次序的部件機(jī)床基座，其 PDGEs和 PIGEs 具體如下： , , , ,PDGEs ,PIGEs, ,, ,TTx y z xy yy zyxy yy zyx y zy y yy y y (2-7)其中，PIGEs 的下角標(biāo)中，第一個字母代表誤差的方向，第二個字母代表運(yùn)動部件。
【學(xué)位授予單位】：上海交通大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號】：TG659

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號：2601286