隨著微小型零件在航空航天、核工業(yè)、國防、汽車以及醫(yī)療器械等行業(yè)的廣泛應(yīng)用,其精度及復(fù)雜性也越來越高,相應(yīng)的對制造技術(shù)的要求也越來越高。精密微小型車銑復(fù)合加工技術(shù)由于其高速、精密、微切削力、加工范圍廣等特點,在復(fù)雜微小型零件制造領(lǐng)域有明顯優(yōu)勢,但目前市場上缺少針對三維微小型復(fù)雜零件的高精度微小型車銑復(fù)合加工機床。國內(nèi)外對常規(guī)車銑復(fù)合加工機床和五軸機床的空間幾何誤差建模及熱誤差研究都已趨于成熟,但是對微小型車銑復(fù)合加工機床這類特殊機床精度研究較少,不能滿足日益增長的精密復(fù)雜微小型零件的加工需求。本文基于微小型車銑復(fù)合加工技術(shù)和宏微結(jié)合誤差補償技術(shù),設(shè)計了一臺高精度微小型車銑復(fù)合加工機床,用于滿足復(fù)雜微小型零件的制造需求,并采用理論計算、有限元仿真和實驗驗證的方法對影響該機床精度的主要誤差因素進行了研究。主要研究內(nèi)容及結(jié)論如下:(1)針對三維復(fù)雜微小型零件的加工需求和設(shè)備需求,進行了高精度微小型車銑復(fù)合加工機床的總體設(shè)計工作。根據(jù)拓撲學理論和功能、精度等要求確定了機床的XYCTZB型結(jié)構(gòu)。關(guān)鍵部件車削主軸使用液體靜壓主軸,銑削主軸選用高速高精度陶瓷球軸承電主軸;B軸轉(zhuǎn)臺選用高精度直驅(qū)轉(zhuǎn)臺;微動平臺采用高精度二維壓電陶瓷驅(qū)動平臺,整個運動系統(tǒng)采用了宏微結(jié)合設(shè)計,以實現(xiàn)誤差的二維補償;隔震系統(tǒng)選用空氣彈簧和大理石惰性塊組合的方式,能夠隔絕外界環(huán)境中的大部分振動;控制系統(tǒng)采用“PC+Turbo PMAC”的開放模式,以實現(xiàn)補償控制。(2)針對影響高精度微小型車銑復(fù)合加工機床加工精度的空間幾何誤差,基于齊次坐標變換理論,對三種結(jié)構(gòu)的車銑復(fù)合加工機床進行誤差建模,推導(dǎo)出了綜合誤差模型,進一步驗證了采用XYCTZB型結(jié)構(gòu)的合理性。對誤差模型進行了誤差敏感度分析和關(guān)鍵幾何誤差源識別,確定了機床設(shè)計的關(guān)鍵誤差元素,為整機研制后實現(xiàn)誤差補償和修正控制指令提供理論依據(jù),并可為將來機床升級時提供理論參考。(3)對微小型車銑中的關(guān)鍵部件銑削電主軸的熱誤差進行了研究,以傳熱學和熱變形相關(guān)理論為基礎(chǔ),采用有限元法對銑削電主軸的溫度場和熱變形進行了仿真研究。根據(jù)仿真分析結(jié)果,分別在空載和切削條件下,進行了主軸熱誤差檢測實驗,同時對切削條件下的切削熱進行了檢測。基于實驗得到的數(shù)據(jù),采用基于特征加權(quán)的樸素貝葉斯方法,對銑削電主軸熱誤差進行了建模及預(yù)測研究。采用信息增益的方法計算了不同特征的權(quán)重,分別建立了空載和切削條件下的軸徑向熱變形誤差模型,具有較高的精度,從預(yù)測結(jié)果看,模型具有比較好的預(yù)測功能。(4)針對機加工中通常不進行運動直線度誤差補償,而其又影響高精度加工的問題,對二維宏微結(jié)合運動誤差補償方法進行了研究。首先提出了一種基于平面鏡干涉法的運動直線度誤差檢測方法,通過不確定度分析表明,在小行程測量范圍內(nèi),該方法優(yōu)于常規(guī)基于渥拉斯頓棱鏡干涉的方法。搭建了宏微結(jié)合實驗平臺,為了減小直線度誤差源,宏動平臺采用自行設(shè)計的可調(diào)導(dǎo)軌滑臺,并進行了實驗驗證。采用宏微結(jié)合的策略,對滑臺的定位精度和直線度進行了二維補償實驗。對微動臺的空載和負載響應(yīng)時間進行了測試,驗證了在加工中的可用性,最終提出了熱誤差和運動誤差綜合補償方案。
【學位單位】：北京理工大學
【學位級別】：博士
【學位年份】：2015
【中圖分類】：TG65
【部分圖文】：

繞Z軸的三維旋轉(zhuǎn)變換

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本文編號：2892046