付国强[1]2016年在《基于指数积理论和坐标系微分运动关系的数控机床几何误差建模与补偿方法研究》文中认为高精度是数控机床发展的必然趋势,几何误差是数控机床的主要误差源之一,几何误差重复性高、系统性好、易测量的特点使得几何误差补偿成为提高机床精度的重要措施之一。研究如何快速方便地测量数控机床几何误差、如何精确地建立几何误差模型以及如何高效地补偿几何误差,具有重要的理论和实际意义,也已成为提高数控机床精度的重要研究课题。本学位论文在积极借鉴和吸收相关理论和成果的基础上,开展了数控机床几何误差建模和补偿方法研究。论文以几何误差补偿整个过程的各个环节为主线,从旋转轴几何误差测量辨识方法入手,提出基于球杆仪测量的六圈法,为误差建模和补偿奠定基础,然后基于指数积理论和坐标系微分运动关系理论对数控机床几何误差建模方法进行研究。在此基础上,应用数学优化方法和工件模型重建方法开展几何误差补偿技术研究。论文的主要研究内容和成果归纳如下:提出一种基于球杆仪测量的旋转轴几何误差辨识方法——六圈法,该方法可得到旋转轴所有的10项几何误差,且适合不同类型的旋转轴。从数控机床综合几何误差模型出发得出六圈法辨识原理与误差模型无关,并建立误差辨识矩阵,根据几何误差性质得到所有几何误差项的辨识公式。然后分析球杆仪安装误差对六个位置处球杆仪读数的影响,通过最小二乘法拟合得到安装误差,提高辨识精度。六圈法中球杆仪六个位置适合五轴数控机床两个旋转轴的误差测量,测量方便、快捷。最后完成五轴数控机床旋转轴误差测量实验,并通过比较补偿前后球杆仪读数验证六圈法的可行性。建立了基于指数积理论的数控机床几何误差模型,并提出相应误差补偿方法,适合不同类型的数控机床。首先借助指数积理论旋量清晰的物理含义表示运动轴的运动和基本误差项,同时根据垂直度误差对运动轴的影响建立相应的误差旋量和指数积模型。通过各个指数积模型相乘建立数控机床指数积综合几何误差模型,该模型具有清晰的几何意义,只需建立一个全局参考坐标系,大大简化建模过程。利用指数积理论性质建立机床旋量雅克比矩阵实现误差补偿,避免了奇异问题,计算方便。最后分别在叁轴数控机床和五轴数控机床上进行实验来验证模型和补偿方法的可行性。提出了基于坐标系微分运动关系的数控机床几何误差建模和补偿方法,提高数控机床加工精度。坐标系微分运动关系可得到微分运动在不同坐标系下的表示形式。通过建立各个运动轴相对于刀具的微分运动矩阵,计算运动轴几何误差项在刀具坐标系下的矢量形式,通过相加得到刀具本身坐标系的综合误差矢量。该过程反映各个运动轴几何误差对机床精度的影响,物理意义清晰。然后根据各个运动轴微分运动矩阵构造机床雅克比矩阵来补偿刀具综合误差,构造方法无需额外计算。最后通过五轴数控机床工件切削实验验证了模型和补偿方法的有效性。提出一种基于粒子群算法的工件加工代码优化方法,实现数控机床几何误差补偿。首先结合机床结构参数对五轴数控机床运动学进行分析,建立数控机床后处理程序,实现加工代码与刀具位姿的双向转换。然后提出一种基本几何误差项多项式建模方法,通过回归分析的F检验确定最优多项式模型,在此基础上,结合数控机床正向运动学模型将理想刀具位姿引入综合误差模型中,建立关于加工代码的机床综合误差模型的数学表达式,该模型可评价代码的补偿效果。引入粒子群算法,选择刀具位姿为粒子类型,定义粒子可行域,以总体几何误差为优化目标,对工件加工代码进行优化。最后工件切削实验结果表明工件加工代码优化补偿方法可以有效地提高机床精度。提出一种基于方程组数值求解方法和工件模型重建的叁轴数控机床几何误差补偿方法,适合不同的数控系统。首先根据叁轴数控机床简单的运动学方程,建立数控机床关于工件模型点的综合误差多项式组。该多项式组包含了误差补偿目标,即理想工件模型点。多项式方程组数值求解方法得到工件模型补偿点云,可保证计算精度和效率。然后提出一种从工件CAD模型到STL模型的转换方法,根据补偿点云实现叁角面片均匀分布的工件STL模型重建。根据重建模型进行工件加工,实现机床整个加工过程的误差补偿。该方法不需操作人员具有补偿知识。最后完成叁轴数控机床工件切削实验验证该方法的有效性。
粟时平[2]2002年在《多轴数控机床精度建模与误差补偿方法研究》文中认为加工精度是机床最重要的性能指标之一。本课题运用多体系统运动学为核心的精度分析理论体系，对多轴数控机床精度问题进行了系统、全面的分析，并重点在数控机床误差分析、精度建模、误差检定、加工精度预测以及软件误差补偿等领域开展了深入研究，通过机床精度模型，揭示了误差从机床零部件传递到被加工零件的规律，给出了精度预测，并对机床进行了软件误差补偿以提高加工精度。 多体系统理论在充分利用计算机发展成果的今天，焕发出了新的魅力，在研究多体系统的运动学与动力学问题上显示了很好的通用性、系统性和方便性。多体系统运动学理论应用于有误差运动的精度研究，是其应用领域的新拓展，虽然受到重视是近几年的事，但已显示出强大的生命力。本文对多体系统运动学以及基于该理论的机床精度建模、误差辨识、精度预测及误差补偿的方法作了系统、深入的探讨。 多体系统理论的精髓是用拓扑结构对多体系统进行高度概括和提炼，用低序体阵列描述多体系统拓扑结构，用特征矩阵表示多体系统中体间的相对位冒和姿态。本文对多体系统理论的这部分内容进行了详细阐述。它是机床运动学分析和建模的基石，本文依此建立起了多轴机床的通用精度模型，还以叁轴、五轴机床为例给出了理想运动模型、有误差运动模型和空间误差模型等的具体表达式。 在建立起机床精度模型之后，开始进行机床误差参数检定。机床误差参数很多，影响加工精度的主要误差参数就有几何误差、热误差、力变形误差等。在系统介绍了已有的误差检定策略之后，为了充分利用激光干涉测量仪检定多轴机床的叁个平动轴系统的21项几何误差，本文详细分析了9线辨识法，提出并深入探讨了新的12线辨识法，为了检定回转轴的6项基本误差，详细阐述了基于径向、轴向及回转误差的误差辨识机理，从而很好地解决了多体系统理论应用中的机床误差检定问题。 误差建模和误差检定完成之后，随即进行机床加工精度预测以及误差补偿。本文提出了轮廓加工误差的指标体系，阐述了位置误差至轮廓误差的映射关系，建立起了机床部件误差至加工误差的映射模型，从而可以实现准确的加工精度预测。 软件误差补偿的关键是获取补偿误差所需的数控指令，本文阐述了直接计算法和迭加附加指令法，并着重以叁轴机床和五轴机床为例，深入研究了基于直接计算法修正理论数控指令的软件误差补偿。 本文在理论研究的基础上进行了仿真和实验研究，包括机床平动系统误差12线法和9线法检定实验，回转轴6项基本几何误差辨识实验，虚拟加工的加工精度预测仿真，虚拟机床加工软件误差补偿仿真，以及实体机床软件误差补偿实验。
周伦才[3]2008年在《数控机床运动误差智能补偿方法的研究》文中研究说明采用数控加工的目的是提高产品加工的精度和效率,因此加工精度是数控机床最重要的性能指标之一,而对机床实施误差补偿是提高机床加工精度较为有效的方法,但由于数控加工过程具有复杂性、非线性、不确定性等特点,用传统的基于机床成形系统精确数学模型的方法已经难以获得良好的误差补偿效果。本文就是以如何提高数控机床误差补偿精度为目的而展开的。以国内外研究为基础,应用多体系统误差分析理论建立了数控机床理想运动模型、误差情况下的运动模型、刀具空间姿态理想运动模型以及刀具空间姿态运动误差模型。并以DMG公司生产的五轴数控万能镗铣床DMU 70V(TPPPBRRW)为例给出了成形点空间运动误差模型和刀具姿态运动误差模型。机床误差参数的正确辨识是误差补偿的前提条件之一,本文利用多体系统运动学理论对平动轴和转动轴的几何误差进行了正确辨识。为了提高误差补偿效果,本文在分析神经网络学习机理的基础上,利用神经网络良好的逼近能力、泛化能力及自学习能力的特点,通过对数控系统进行神经网络辨识,对误差补偿技术和误差控制的神经网络实现方法进行分析,建立了神经网络误差补偿模型。结合了双频激光干涉仪位移测量和直线度测量及叁点法回转误差测量法,综合基于多体系统运动学理论建立的误差模型,以及机床几何误差的辨识,利用Malab软件对测量参数进行处理,获得了较为全面的网络训练样本,进一步提高了网络的精度。通过仿真试验验证了机床成形点空间位置误差模型的正确性和神经网络误差补偿的可行性,对补偿前后的结果分析可以看出,将神经网络技术应用在数控机床误差补偿控制中是可行的,与传统误差补偿方法相比,基于神经网络的数控机床误差补偿具有补偿精度较高、稳定性较好的特点。
马跃龙[4]2014年在《多轴机床几何误差建模与补偿技术的研究》文中研究表明随着汽车电子、舰船宇航、医疗建筑、国防军工等制造业的快速发展,对数控机床的加工精度提出了更高的要求。所以在保证加工效率的基础上如何快速、有效的提高机床加工精度成为当前亟待解决的关键问题之一。然而,通过提高机床零部件的制造精度、控制加工工况、提升各零部件材料性能等传统方式来提高机床加工精度越来越难以实现。而通过采用机床软件误差补偿技术可有效提高机床的加工精度。因此,国内外有关专家学者对几何误差的建模、辨识及补偿以提高机床加工精度进行了大量的研究,并取得了卓有成效的结果。研究表明：几何误差、力误差和热误差引起的误差占精密加工机床总误差的80%左右。本文为提高多轴机床加工精度,通过对多轴数控机床的几何精度进行了系统研究,分析了各类影响机床加工精度的误差源,针对性地提出了软件误差补偿的策略和补偿步骤,在此基础上进行了软件误差补偿的数学关系推导与补偿软件设计等研究工作。具体研究情况如下：(1)分析了多轴数控机床机加工系统主要误差来源,得出几何误差是影响多轴机床加工精度的主要误差源之一。将多轴机床的各主要部件抽象成体,分析了理想情况下和有误差情况下两相邻体之间及各个特征体间的特征变换矩阵,提出了基于多体系统理论的多轴机床系统的几何误差补偿数学关系。(2)分别对多轴数控机床的X、Y、Z叁移动轴的21项几何误差进行了描述,并采用9线误差辨识法对几何误差参数进行辨识,基于径向、轴向及回转误差的误差辨识方法与理念,检定了两回转轴的各项误差,得到了多轴数控机床的各项几何误差参数。(3)基于建立的多轴机床几何误差数学模型,提出软件误差补偿的策略,研究了基于软件的多轴机床的几何误差补偿系统。通过Labview开发了几何误差补偿平台,获得补偿后的数控指令。(4)通过对比补偿前后的数控加工代码和误差补偿试验,结果表明多轴机床精度明显改善,验证了软件误差补偿方法的可行性和补偿策略的有效性。
张变霞[5]2008年在《数控机床精度及误差补偿技术》文中进行了进一步梳理加工精度是机床最重要的性能指标之一。本课题运用多体系统运动学为核心的误差分析理论体系,对叁轴数控机床精度问题进行了系统、全面的分析,并重点在数控机床误差测量、误差分析建模、误差辨识以及软件误差补偿等方面开展深入研究,通过机床误差模型,揭示误差从机床零部件到被加工零件的传递规律,给出了精度预测,并对机床进行了软件误差补偿以提高加工精度。本文主要从以下几个力面的内容进行了研究和探讨:1.研究了机床的测量方法,比较了数控机床传统的和先进的误差测量工具和测量方法,并对球杆仪、激光干涉仪等先进测量仪器的测量原理和应用方法进行了分析总结。2.研究了机床的精度分析的基本理论及其评定标准,对多体系统运动学以及基于该理论的机床误差建模、误差辨识及误差补偿的方法作了系统的探讨。数控机床误差参数的正确辨识是数控机床补偿的必要前提条件。3.详细分析了12线误差分析方法,应用误差辨识软件,解得各测量点的十八个误差参数,再根据实际情况求解叁项垂直度误差,最后得到了所有的21项几何误差。4.建立了叁轴数控机床的通用精度分析模型,还以XK713叁轴数控机床为例给出了理想运动模型、有误差运动模型和空间误差模型等的分析表达式。基于直接计算法修正理论数控指令的软件误差补偿,从模型的选择,参数的识别,数控指令的转换都实现了人机交互模式,应用起来直观易用,操作方便。通过此项技术的误差补偿,机床的各项误差都有所降低,达到了提高机床加工精度的目的。但是本课题的成果尚未应用到生产实际中,在今后的研究中,还要进行大量的实验,取得大量的测量数据,为今后该方法的实际应用奠定基础。
王洪乐, 周青华, 熊青春[6]2018年在《基于多体系统理论的数控机床加工精度几何误差预测模型》文中研究指明针对多轴联动数控机床加工精度误差补偿问题,从分析数控机床误差产生机理和建立精度误差补偿模型的角度,提出了基于多体系统理论的数控机床加工精度几何误差预测模型。分析了B-A摆头五轴龙门数控机床的拓扑结构关系、低序体阵列、各典型体坐标变换,推导出了B-A摆头五轴龙门数控机床精度几何误差预测函数。采用平动轴十二线法误差参数辨识算法,测量并计算了某B-A摆头五轴数控机床21项空间几何误差,为精度几何误差预测函数提供有效参量。该几何误差参数建模方法,对不同拓扑结构和运动关系的数控机床具有通用性,为后续数控机床误差动态实时补偿并提高切削加工精度提供了理论依据。
林海峰[7]2013年在《五轴数控机床精度测评方法研究》文中进行了进一步梳理数控机床的精度是保证零件加工精度的首要条件之一。随着交通、航空、航天等领域的发展,汽车零部件、飞机结构件及现代模具的结构变得越来越复杂,曲面变得越来越多,对数控机床的精度也提出了更高的要求。提高机床精度一直是国内外研究的目标之一,我国数控机床在性能、精度和可靠性等方面与国外机床还存在较大的差距。针对数控机床精度保持性和提高的需求,进行数控机床误差分析与精度测评的研究,对我国高档数控机床的自主开发及精度提高有重要理论意义和实用价值。本文以“高档数控机床与基础制造装备”科技重大专项课题为背景,针对成都飞机工业(集团)有限责任公司示范应用工程所采用的大型立式五轴数控机床精度检测和评价的实际需求,开展了五轴数控机床误差建模与精度评价技术的研究。深入研究了数控机床误差检测方法、误差辨识与分离机理、误差分析模型及精度测评方法。主要研究工作与成果如下：(1)五轴数控机床误差建模原理与分析模型研究。针对一种构型五轴数控机床,在分析数控机床主要误差来源及误差形式的基础上,基于多体系统理论建立了五轴数控机床的综合误差模型。(2)建立了五轴数控机床空间误差分析模型。利用激光干涉仪等仪器检测机床坐标轴的各项误差,基于多体系统理论建立空间误差模型,计算机床工作区域内的空间误差分布和机床当前精度状况,为确定机床的特定误差检测项,实现对主要误差项的快速、高效检测和数控机床误差补偿提供基础数据。(3)提出了五轴数控机床圆度误差检测与分离方法。在分析机床圆度误差影响因素基础上,推导了误差传递函数与误差分离算法,通过参数求解得到了各误差源对机床圆度误差的影响程度,实现了各误差源的定性分析和定量分析。利用光栅尺位移传感器和球杆仪对数控机床在不同工况下的圆度误差进行了检测,通过对比进一步分析了数控机床的主要误差源,并利用所提方法对机床圆度误差进行了初步分离。(4)开发出了数控机床精度评价原型系统。针对用户需求,在数控机床误差检测、辨识基础上,设计机床精度测评指标集,构建机床精度评价指标体系,结合层次分析法与模糊综合评判法,建立了数控机床精度评价原型系统。
孙克[8]2010年在《数控机床几何误差软件补偿技术研究》文中研究说明提高机床几何精度有误差预防和误差补偿两种方法。误差补偿法使用软件技术,不仅可以提高制造数控机床的精度等级,对现有数控机床的精度进行升级,而且具有低成本、易实现等特点,因此具有重要的理论和实际意义。近年来,国内外学者开展了大量的研究工作,取得了一定的进展。但是,总体而言,数控机床刀具相对工件的几何误差建模、原始误差项的测量与识别、几何误差补偿技术等还存在较大不足。为此,本文针对上述问题对叁轴数控机床精度问题进行了系统、全面的分析,并重点在数控机床误差测量、误差分析建模、误差辨识以及软件误差补偿等方面开展深入研究,取得的主要研究成果如下:首先研究机床的误差分类及测量方法,比较了数控机床传统的和先进的误差测量工具和测量方法,并对激光干涉仪、球杆仪等先进测量仪器的测量原理和应用方法进行了分析总结。其次本文对多体系统运动学以及基于该理论的机床误差建模、误差辨识及误差补偿的方法作了系统、深入的探讨。详细分析了14线法,并深入分析了12线误差分析方法,也是本文创新之处,利用几何法和多体系统运动学理论推导出十八个误差辨识方程,充分利用激光干涉测量仪检定多轴机床的叁个平动轴的位移量误差,应用误差辨识软件,解得各测量点的十八个误差参数,即每个运动方向的叁个位移误差和叁个姿态误差,再根据实际情况求解叁项垂直度误差,最后得到了所有的21项几何误差。再次,本文深入研究了基于直接计算法修正理论数控指令的软件误差补偿,软件部分用VC编写,提出了在华中数控系统上实现几何误差补偿的方法。建立了数控机床几何误差补偿的实验验证系统,在此系统上,实现了叁轴运动几何误差补偿的实验验证。实验结果表明,本文建立的几何误差模型、机床原始误差项检测方法、以及几何误差补偿方案是行之有效的。
邱立伟[9]2011年在《多轴数控机床综合误差建模与补偿的研究》文中提出高档数控机床,特别是精密多轴数控机床,是衡量一个国家制造业水平的重要标志,在诸多制造业有着十分广泛的应用需求。提高机床精度有两种方法。一种是误差防止法(Error Avoidance),即通过提高数控机床的零件结构设计、制造精度和装配水平来尽可能地消除误差源。另一种是误差补偿法(Error Compensation),即通过对机床工作及加工过程的误差分析、建模与补偿来改变坐标实际运动量达到理想的运动轨迹,从而实现不使用精密加工设备的精密加工。目前,通过误差防止法来提高加工精度的误差避免方法越来越难以实现,造价成本也越来越高昂。因此,发展数控机床误差补偿技术的呼声愈来愈强烈。本文首先基于多体系统运动学理论,以一台四轴加工中心为对象,建立了包含几何误差和热变形引起的误差的综合数学模型,深入分析并解决了加工中心的交换工作台站的误差传递、各轴热漂移误差影响等关键问题。该误差模型为实现加工中心的精确补偿提供了坚实的理论基础。其次,创新性地提出了基于改进的LS-SVM的数控机床定位误差建模预测方法。利用激光干涉仪进行了XYZ叁轴的定位误差测量实验,采取补偿反向间隙和单项定位误差的方法进行初步补偿；提出了基于加权最小二乘支持向量机的机床单轴定位误差建模方法及模型参数优化方法,并从理论上验证了模型的精确性及可行性。最后,通过补偿实验验证了基于加权LS-SVM建立的误差模型的精确性及补偿方法的可行性,用该方法对数控机床各轴进行预测补偿,能有效提高数控机床的加工精度。另外,本文还创新提出了面向误差实时补偿技术的LS-SVM建模补偿的方法,研究并提出了误差实时补偿程序实现流程及补偿控制策略。
王开德, 张欣, 韩凯凯, 王洪乐[10]2018年在《基于多体系统理论的数控机床加工精度几何误差预测模型》文中研究说明针对多轴联动数控机床加工精度误差补偿问题,从分析数控机床误差产生机制和建立精度误差补偿模型的角度,提出基于多体系统理论的数控机床加工精度几何误差预测模型。分析B-A摆头五轴龙门数控机床的拓扑结构关系、低序体阵列、各典型体坐标变换,推导出B-A摆头五轴龙门数控机床的精度几何误差预测函数模型。采用平动轴十二线法误差参数辨识算法,计算出B-A摆头五轴数控机床21项空间几何误差,为精度几何误差预测函数提供有效的误差参数。该精度误差参数建模方法,对不同结构和运动关系的数控机床具有通用性,为后续数控机床误差动态实时补偿提高切削加工精度提供了理论基础。
参考文献：
[1]. 基于指数积理论和坐标系微分运动关系的数控机床几何误差建模与补偿方法研究[D]. 付国强. 浙江大学. 2016
[2]. 多轴数控机床精度建模与误差补偿方法研究[D]. 粟时平. 中国人民解放军国防科学技术大学. 2002
[3]. 数控机床运动误差智能补偿方法的研究[D]. 周伦才. 兰州理工大学. 2008
[4]. 多轴机床几何误差建模与补偿技术的研究[D]. 马跃龙. 长春工业大学. 2014
[5]. 数控机床精度及误差补偿技术[D]. 张变霞. 中北大学. 2008
[6]. 基于多体系统理论的数控机床加工精度几何误差预测模型[J]. 王洪乐, 周青华, 熊青春. 制造技术与机床. 2018
[7]. 五轴数控机床精度测评方法研究[D]. 林海峰. 西南交通大学. 2013
[8]. 数控机床几何误差软件补偿技术研究[D]. 孙克. 中北大学. 2010
[9]. 多轴数控机床综合误差建模与补偿的研究[D]. 邱立伟. 长春工业大学. 2011
[10]. 基于多体系统理论的数控机床加工精度几何误差预测模型[J]. 王开德, 张欣, 韩凯凯, 王洪乐. 机床与液压. 2018
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