本文關(guān)鍵詞：多軸精密數(shù)控機(jī)床誤差測(cè)量、綜合建模及補(bǔ)償技術(shù)的研究

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【摘要】：研制高檔數(shù)控機(jī)床,特別是多軸精密、超精密數(shù)控機(jī)床,是提高國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)力的關(guān)鍵技術(shù),也是衡量一個(gè)國(guó)家制造業(yè)水平的重要標(biāo)志。20世紀(jì)90年代以來(lái),隨著航天航空、國(guó)防、艦船、微電子、通訊、汽車制造等產(chǎn)業(yè)技術(shù)的迅猛發(fā)展,對(duì)高精密復(fù)雜結(jié)構(gòu)零件、零件的表面完整性及制造精度等提出了越來(lái)越高的要求,從而使得研制高效率、高質(zhì)量、高精度和高智能化的數(shù)控機(jī)床也愈來(lái)愈迫切。中國(guó)第十三個(gè)五年規(guī)劃綱要明確提出我國(guó)五年內(nèi)計(jì)劃實(shí)施的100個(gè)重大工程及項(xiàng)目,它們涉及科技、裝備制造、交通、環(huán)保和能源等領(lǐng)域,其中第28項(xiàng)就是研制高檔數(shù)控機(jī)床。由此可見(jiàn)研制高檔數(shù)控機(jī)床這即是國(guó)家戰(zhàn)略意圖的重要體現(xiàn),也必將對(duì)中國(guó)經(jīng)濟(jì)、社會(huì)和民生等各方面產(chǎn)生深遠(yuǎn)影響。目前提高機(jī)床精度的主要方法有兩種。一種是“硬技術(shù)”誤差防止法,它雖能減少機(jī)床誤差,但經(jīng)濟(jì)上代價(jià)昂貴。另一種是“軟技術(shù)”誤差補(bǔ)償法,它用很小的代價(jià)便可獲得“硬技術(shù)”難以達(dá)到的加工精度。時(shí)至今日,這種方法雖然已經(jīng)在許多精密制造設(shè)備、精密機(jī)床和精密儀器上進(jìn)行了大量實(shí)驗(yàn)與研究,但還遠(yuǎn)未達(dá)到商業(yè)化程度。本課題以提高數(shù)控機(jī)床的定位精度、加工精度和效率為目的,以自主研制的兩臺(tái)多軸精密數(shù)控機(jī)床為研究對(duì)象,對(duì)數(shù)控機(jī)床的幾何誤差、熱誤差和力誤差進(jìn)行了測(cè)量、分析和研究,對(duì)整機(jī)、主要部件的精度及其相互之間的關(guān)系進(jìn)行了研究,對(duì)幾何誤差、熱誤差、力誤差進(jìn)行綜合建模和誤差補(bǔ)償實(shí)驗(yàn)。主要內(nèi)容與成果如下:(1)基于多體系統(tǒng)理論,運(yùn)用齊次變換矩陣對(duì)相鄰典型體間的理想運(yùn)動(dòng)及其運(yùn)動(dòng)特征進(jìn)行了數(shù)學(xué)描述;對(duì)相鄰典型體間的幾何誤差、熱誤差、力誤差等誤差元進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)分析與研究;對(duì)實(shí)際運(yùn)動(dòng)中相鄰典型體間的誤差進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)描述、分析與研究,構(gòu)建了機(jī)床誤差綜合模型,該模型可對(duì)機(jī)床各項(xiàng)誤差元進(jìn)行綜合考慮與分析,并能對(duì)它們之間的耦合關(guān)系進(jìn)行分析與解耦。梳理了誤差建模步驟及建模方法的意義。(2)以自主研制的五軸精密數(shù)控機(jī)床為研究對(duì)象,借助激光干涉儀等儀器對(duì)大量誤差數(shù)據(jù)進(jìn)行系統(tǒng)的測(cè)量與分析,驗(yàn)證了機(jī)床的不同進(jìn)給速度對(duì)移動(dòng)軸的移動(dòng)誤差、轉(zhuǎn)角誤差及不同測(cè)量間距對(duì)其線性位移誤差皆沒(méi)有較大的影響。發(fā)現(xiàn)線性位移誤差是影響綜合誤差最主要的因素,轉(zhuǎn)角、直線度誤差對(duì)其影響較小;對(duì)機(jī)床誤差元素進(jìn)行分類與分析,可知幾何、熱誤差和力誤差元素共計(jì)有126項(xiàng),簡(jiǎn)化合并為42項(xiàng),基于多體系統(tǒng)理論建立機(jī)床幾何、熱誤差和力誤差元素運(yùn)動(dòng)學(xué)綜合誤差模型,并對(duì)綜合誤差模型的正確性進(jìn)行了驗(yàn)證;構(gòu)建機(jī)床幾何誤差運(yùn)動(dòng)學(xué)綜合誤差模型,重點(diǎn)分析和研究了五軸精密數(shù)控機(jī)床各個(gè)移動(dòng)軸和旋轉(zhuǎn)軸的幾何誤差變化規(guī)律,得出了兩軸聯(lián)動(dòng)情況下其綜合誤差在X、Y、Z軸軸向上的移動(dòng)、轉(zhuǎn)角誤差分量的變化規(guī)律。(3)以自主研制的四軸精密數(shù)控實(shí)驗(yàn)臺(tái)為研究對(duì)象,對(duì)整機(jī)、主要部件的精度及其相互之間的關(guān)系進(jìn)行了研究;對(duì)精密數(shù)控實(shí)驗(yàn)臺(tái)各移動(dòng)軸和旋轉(zhuǎn)軸的幾何誤差進(jìn)行測(cè)量與分析,得到了定位、直線度和角度誤差曲線,發(fā)現(xiàn)定位誤差是機(jī)床幾何綜合誤差的主要影響因素;建立了四軸精密數(shù)控實(shí)驗(yàn)臺(tái)幾何誤差綜合誤差模型,通過(guò)系統(tǒng)的研究、論證與分析,發(fā)現(xiàn)了四軸精密數(shù)控實(shí)驗(yàn)臺(tái)在兩軸聯(lián)動(dòng)、各誤差元耦合情況下其幾何綜合誤差在X、Y、Z軸軸上的6個(gè)移動(dòng)、轉(zhuǎn)角分量誤差的變化規(guī)律,通過(guò)進(jìn)一步分析發(fā)現(xiàn)綜合誤差在移動(dòng)軸軸向上的分量曲線變化趨勢(shì)與其定位誤差基本一致,只是數(shù)值有微小差別,這又充分證明了定位誤差是機(jī)床幾何綜合誤差的決定性影響因素,同時(shí)發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)角、直線誤差對(duì)于幾何綜合誤差的影響極小,但在超精密加工中則是不可忽略的因素。在加工精度要求不高的情況下,通過(guò)優(yōu)化算法選擇最佳的工作空間,只需進(jìn)行定位誤差補(bǔ)償,就可以達(dá)到加工精度,該方法具有操作簡(jiǎn)便、快捷高效等特點(diǎn)。(4)重點(diǎn)分析了四軸精密實(shí)驗(yàn)臺(tái)從冷態(tài)到熱穩(wěn)態(tài)過(guò)程中關(guān)鍵測(cè)量點(diǎn)溫度與定位誤差之間的變化規(guī)律,研究發(fā)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)臺(tái)移動(dòng)軸的定位誤差隨著平臺(tái)溫度的升高而不斷增大直至實(shí)驗(yàn)臺(tái)達(dá)到熱穩(wěn)態(tài)時(shí)其定位誤差在微小范圍內(nèi)波動(dòng),由此可得出四軸精密實(shí)驗(yàn)臺(tái)移動(dòng)軸的定位誤差與溫度變化之間的相互關(guān)系及其變化規(guī)律;基于灰色理論選取與機(jī)床熱誤差關(guān)聯(lián)度最大的溫度測(cè)點(diǎn)作為熱誤差建模變量,采用正交多項(xiàng)式和牛頓插值算法對(duì)精密實(shí)驗(yàn)臺(tái)移動(dòng)軸的幾何與熱誤差進(jìn)行綜合建模,該綜合模型具有預(yù)測(cè)精度高,魯棒性強(qiáng),計(jì)算簡(jiǎn)便,易于程序設(shè)計(jì),效率高等優(yōu)點(diǎn);利用四軸精密實(shí)驗(yàn)臺(tái)的補(bǔ)償模塊進(jìn)行補(bǔ)償實(shí)驗(yàn),驗(yàn)證了該模型的正確性和有效性。(5)在模擬加工狀態(tài)下對(duì)五軸數(shù)控機(jī)床的定位誤差進(jìn)行測(cè)量與特性分析,通過(guò)分析大量的試驗(yàn)數(shù)據(jù),發(fā)現(xiàn)機(jī)床不同的主軸轉(zhuǎn)速、進(jìn)給速度、軸向研拋深度對(duì)移動(dòng)軸的定位誤差沒(méi)有顯著影響;對(duì)BP、RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和支持向量回歸機(jī)三種建模方法進(jìn)行了綜合對(duì)比分析,采用三種建模方法分別建立了五軸數(shù)控機(jī)床、四軸數(shù)控實(shí)驗(yàn)臺(tái)的熱誤差模型,從中發(fā)現(xiàn)SVR性能最優(yōu),偏差帶最窄,分散程度最小,偏離中心值的趨勢(shì)最緩;依據(jù)SVR模型的預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)分別對(duì)五軸數(shù)控機(jī)床、四軸數(shù)控實(shí)驗(yàn)臺(tái)進(jìn)行了補(bǔ)償實(shí)驗(yàn),補(bǔ)償實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明支持向量回歸機(jī)建模方法的預(yù)測(cè)能力、補(bǔ)償效果和魯棒性明顯優(yōu)于RBF、BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法。
【學(xué)位授予單位】：吉林大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2017
【分類號(hào)】：TG659

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