目前,超精密加工技術(shù)已不再僅僅局限于航空航天等尖端國防領(lǐng)域,其應(yīng)用范圍已逐步擴(kuò)展到國民經(jīng)濟(jì)的眾多領(lǐng)域,并呈現(xiàn)出迅速擴(kuò)張的趨勢。超精密機(jī)床是促進(jìn)超精密加工技術(shù)飛速發(fā)展的必要技術(shù)手段,超精密機(jī)床的裝配誤差以及關(guān)鍵部件的制造誤差將使超精密機(jī)床運(yùn)行過程中存在空間幾何誤差,會進(jìn)一步導(dǎo)致超精密機(jī)床的軸系運(yùn)動偏離理想位置,進(jìn)而對機(jī)床的加工性能和加工精度產(chǎn)生極大的影響,最終導(dǎo)致工件的加工質(zhì)量下降。工件的加工精度是間接評價超精密機(jī)床整體性能和加工精度的重要指標(biāo),而現(xiàn)代制造業(yè)對零件的加工精度提出了越來越高的要求,這就對超精密機(jī)床的整體加工性能和加工精度提出了極大的挑戰(zhàn)�，F(xiàn)階段,我國三軸超精密車床的加工精度水平略低,具有較大的提升空間,而如何快速地提高我國三軸超精密車床的加工精度成為了亟待解決的重要問題。因此,本文對三軸超精密車床加工精度的誤差補(bǔ)償技術(shù)進(jìn)行了研究,主要包括三軸超精密車床的幾何誤差建模、誤差模型參數(shù)化、幾何誤差敏感性分析和在位誤差補(bǔ)償技術(shù)等內(nèi)容。首先,基于多體系統(tǒng)動力學(xué)方法建立了三軸超精密車床各軸系對應(yīng)的低序體序列,并采用低序體序列法描述了三軸超精密車床幾何結(jié)構(gòu)的拓?fù)潢P(guān)系。分析了三軸超精密車床直線導(dǎo)軌和旋轉(zhuǎn)主軸的幾何誤差項,基于齊次坐標(biāo)變換方法建立了三軸超精密車床軸系的通用幾何誤差模型,進(jìn)而依據(jù)誤差建模流程推導(dǎo)了三軸超精密車床空間幾何誤差模型的數(shù)學(xué)表達(dá)式。根據(jù)超精密車床誤差檢測國家標(biāo)準(zhǔn)(GB/T 17421.1,GB/T 17421.2,GB/T 7235)和國際標(biāo)準(zhǔn)(ISO 230-1,ISO 230-2,ASME B89.3.4)中規(guī)定的測量方法及誤差評價方法,結(jié)合實(shí)驗(yàn)室實(shí)際具備的測量儀器條件,采用常用并可行的測量方法對三軸超精密車床的全部21項幾何誤差進(jìn)行直接或間接測量,明確了三軸超精密車床全部21項幾何誤差的誤差值,從而實(shí)現(xiàn)三軸超精密車床幾何誤差模型的參數(shù)化。其次,為了量化每個幾何誤差項對三軸超精密車床加工誤差的影響程度,從三軸超精密車床眾多幾何誤差中鑒別出對加工精度產(chǎn)生重大影響的若干幾何誤差項,采用基于方差分解形式的Sobol全局敏感性分析方法對三軸超精密車床的幾何誤差敏感性進(jìn)行了分析。利用蒙特卡洛方法(Monte Carlo method)對幾何誤差項進(jìn)行采樣,采用Sobol方法對三軸超精密車床的空間幾何誤差模型及其沿X、Y、Z方向的誤差分量進(jìn)行了敏感性系數(shù)計算,根據(jù)敏感性分析結(jié)果確定了對空間幾何誤差模型及其沿X、Y、Z方向分量產(chǎn)生重大影響的重要敏感誤差項。同時針對四種典型特征表面的加工精度進(jìn)行了幾何誤差敏感性分析,鑒別出了對四種典型特征表面的加工精度影響重大的重要敏感幾何誤差項。幾何誤差敏感性分析不但提供了判斷幾何誤差項是否對加工精度產(chǎn)生重大影響的評判標(biāo)準(zhǔn),而且為三軸超精密車床幾何誤差補(bǔ)償和調(diào)整以及誤差分配提供了理論依據(jù)。此外,為了克服離線補(bǔ)償過程中工件的拆卸、安裝固定等操作引入的系統(tǒng)誤差對誤差補(bǔ)償準(zhǔn)確性的影響,基于白光共焦位移傳感器搭建了一套非接觸式在位測量及補(bǔ)償系統(tǒng),并進(jìn)行了在位補(bǔ)償系統(tǒng)硬件設(shè)計、軟件開發(fā)及其與三軸超精密車床控制系統(tǒng)的集成。在位測量系統(tǒng)采用白光共焦位移傳感器作為測量執(zhí)行單元,利用PI高精度位移平臺充當(dāng)臨時Y軸實(shí)現(xiàn)測量傳感器沿高度方向上的精密調(diào)整。提出了基于雙標(biāo)準(zhǔn)球的空間相對位置標(biāo)定方法,保證了在位測量裝置重復(fù)安裝過程中相對于主軸中心的位置重復(fù)性,實(shí)現(xiàn)了工件二維輪廓及三維形貌的非接觸式在位測量。通過與典型高精度測量設(shè)備進(jìn)行對比的方式,驗(yàn)證了在位測量方法的測量精度和測量數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。最后,根據(jù)幾何誤差敏感性分析結(jié)果對部分已鑒別出的重要敏感幾何誤差項進(jìn)行了誤差補(bǔ)償,并通過實(shí)驗(yàn)方式驗(yàn)證了補(bǔ)償方法的正確性。進(jìn)一步對工件面形誤差的在位補(bǔ)償方法進(jìn)行了研究,分析了刀具圓弧半徑及刀具對刀誤差對加工精度的影響關(guān)系,并相應(yīng)地提出了有針對性的補(bǔ)償方法。在三軸超精密車床數(shù)控系統(tǒng)的基礎(chǔ)上進(jìn)行了在位補(bǔ)償軟件的開發(fā)和集成,根據(jù)在位測量結(jié)果采用程序代碼修正、多軸聯(lián)動補(bǔ)償?shù)男问綄Ω鞣N因素引起的規(guī)律性重復(fù)性的面形誤差進(jìn)行了在位綜合補(bǔ)償。針對平面、凸球面、正弦波表面及存在刀具對刀誤差的凹球面等典型表面開展了在位補(bǔ)償實(shí)驗(yàn)研究,結(jié)果表明在位誤差補(bǔ)償方法可進(jìn)一步提高工件的面形精度,平面和球面的面形精度在兩次補(bǔ)償后能夠提升60%以上,且補(bǔ)償后的三軸超精密車床驗(yàn)收件面形精度能夠很好地滿足驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)。在三軸超精密車床數(shù)控系統(tǒng)內(nèi)集成了在位補(bǔ)償系統(tǒng)后,三軸超精密車床具備了實(shí)現(xiàn)“精密加工、在位測量、在位補(bǔ)償”一體化功能的基礎(chǔ)。
【學(xué)位單位】：哈爾濱工業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位年份】：2018
【中圖分類】：TG51
【部分圖文】：

圖 1-5 激光干涉儀測量定位精度的原理示意圖[51]matic of positioning accuracy measurement by laser in 1972 年首次提出了基于反向法的誤差分離測量精度，有效地從主軸回轉(zhuǎn)誤差中分離出，反向誤差分離的基本原理如圖 1-6 所示，完

圖 2-2 置于潔凈間內(nèi)的三軸超精密車床Fig.2-2 The three-axis ultra precisionmachine tool located in the clean room圖 2-3 氣體靜壓主軸結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2-3 Schematic of structure of aerostatic spindle（3）切削加工冷卻。在超精密車削過程中，采用冷卻液對金剛石刀具和工件進(jìn)行噴淋，在刀具和工件接觸切削點(diǎn)附近的局部區(qū)域形成恒溫，從而降低切削熱

（2）主軸溫升抑制。電機(jī)發(fā)熱是氣體靜壓主軸最主要的熱誤差源之一，因此，需在主軸電機(jī)所對應(yīng)的機(jī)械殼體內(nèi)部鑲嵌水冷套對主軸電機(jī)實(shí)施循環(huán)水冷卻，氣體靜壓主軸的結(jié)構(gòu)如圖2-3所示，水冷機(jī)出水口輸出的冷卻水溫度能夠穩(wěn)定在20℃±0.2℃范圍內(nèi)，在壓力作用下冷卻水在水冷套與水冷機(jī)之間實(shí)現(xiàn)循環(huán)，冷卻水的循環(huán)流動可以吸收一定的熱量，降低電機(jī)發(fā)熱造成的加工誤差，從而實(shí)現(xiàn)對主軸電機(jī)溫升的抑制。圖 2-2 置于潔凈間內(nèi)的三軸超精密車床Fig.2-2 The three-axis ultra precisionmachine tool located in the clean room圖 2-3 氣體靜壓主軸結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2-3 Schematic of structure of aerostatic spindle（3）切削加工冷卻。在超精密車削過程中，采用冷卻液對金剛石刀具和工件進(jìn)行噴淋，在刀具和工件接觸切削點(diǎn)附近的局部區(qū)域形成恒溫，從而降低切削熱對加工精度的影響，同時冷卻液還起到潤滑的作用，可以提高工件的加工質(zhì)量。
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本文編號：2892857