齿轮加工机床几何误差补偿研究综述

齿轮的加工精度是制约高端装备发展的关键瓶颈,高性能齿轮加工机床是实现齿轮高精度加工的选择。齿轮加工机床结构和运动的复杂性增加了其几何误差补偿的难度。通过分析近年来国内外多轴通用机床的几何误差补偿技术并结合齿轮加工机床几何误差补偿发展现状,对齿轮加工机床几何误差补偿技术展开综述,总结几何误差的来源,介绍多体系统理论、旋量理论、微分运动矩阵及变流理论4种可应用于几何误差建模的理论,分析采用激光干涉仪和球杆仪对直线轴及旋转轴进行几何误差测量与辨识的方法,概述通过NC数据修改对几何误差进行补偿的方法,为齿轮加工机床几何误差补偿设计提供参考。

精密镗床旋转轴几何误差完备性测量与辨识

针对四轴卧式镗床旋转轴需测几何误差的数目不统一与完备性缺失的问题,提出了基于形状创成函数的四轴卧式镗床旋转轴PIGEs形成机理分析方法与旋转轴完备几何误差测量辨识方法。基于形状创成机理构建了卧式镗床几何误差创成函数,确定了旋转轴可通过误差补偿进行调整的最少与位置无关的几何误差(Position-independent geometric error, PIGEs)数目。建立了卧式镗床旋转轴4项PIGEs、6项与位置有关的几何误差(Position-dependent geometric error, PDGEs)、6项安装误差(Setup error, SEs)与球杆仪(Double ball bar, DBB)测量轨迹半径之间的完备性函数模型,设计了基于DBB的四轴联动Viviani曲线测量轨迹,构建了旋转轴6项PDGEs的NURBS表征与PIGEs、SEs辨识方法。开展了误差补偿对比实验验证,结果表明,利用几何误差完备性测量与辨识结果进行误差补偿,较仅单一补偿6项PDGEs可提升圆轨迹测量精度40.69%。

基于多项式混沌的机床几何误差灵敏度分析

为解决目前灵敏度分析方法普遍存在的样本需求量大且计算效率不高的问题,提出了一种基于多项式混沌展开的全局灵敏度分析方法。首先,以AC型双转台五轴数控机床为研究对象,根据旋量理论建立了完备的空间误差模型。其次,构建了机床几何误差的多项式混沌展开模型,采用正交匹配追踪实现模型的稀疏化,并给出了基于该方法的Sobol灵敏度指数。进而,对五轴数控机床几何误差进行了实例分析,测量并统计出41项误差的近似概率分布,分析了影响各方向位姿误差分量的关键几何误差。通过与蒙特卡洛法和拉丁超立方法进行对比,多项式混沌展开方法的正确性得到验证,且在不降低计算精度的前提下,样本量从1×10^(5)降低到1×10^(3),计算时间分别减少96.8%和98.1%,计算效率显著提高。

曲轴综合测量机几何误差建模及敏感性分析

为提高曲轴综合测量机测量精度,针对其几何误差元素多,逐一进行补偿工作量大、过程繁琐等问题,基于多体系统理论和齐次坐标变换建立曲轴综合测量机的几何误差模型,采用Sobol敏感性分析方法进行分析,识别出对测量精度影响较大的关键几何误差项。通过对曲轴综合测量机随动测板不同位置处的误差元素敏感性系数进行分析计算,从21项几何误差中识别出10项对曲轴综合测量机测量精度影响较大的关键项,为合理经济地提高曲轴综合测量机测量精度提供依据。

数控机床几何误差单轴五次测量与辨识方法

针对数控机床几何误差项的准确测量与辨识问题,提出了一种基于激光干涉仪的机床空间几何误差单轴五次测量与辨识方法。首先,针对X、Y、Z轴分别设置了一条测量线,测量了3条划定线上除滚转误差外的其他15项几何误差,共计15次测量;然后,分析了转角误差对直线度误差以及直线度误差对定位误差的耦合影响,并建立了误差辨识方程组;最后,根据误差辨识方程组,得到了机床21项几何误差;并进行了单轴五次测量法的测量和辨识实验,并将所得结果与空间九线法测量辨识结果进行了对比分析。研究结果表明:单轴五次测量法与空间九线法测量辨识结果的空间误差向量最大偏差为1.93μm,平均偏差为0.58μm,该结果验证了单轴五次测量法是准确和有效的。该方法考虑了实际测量过程中的误差耦合情况,因此相比于空间九线法,该方法减少了测量线数与测量次数,简化了误差项的求解过程;同时,采用单轴运动方式可以有效避免其他轴对当前运动轴误差的影响。

双转台五轴数控机床旋转轴位置无关几何误差辨识

针对双转台五轴数控机床旋转轴几何误差辨识精度问题,提出一种在机床坐标系下的旋转轴位置无关几何误差(PIGEs)辨识模型。建立了刀具球与工件球在机床坐标系下的实际初始坐标,通过逆矩阵得到工件球在所测轴的实际初始位置,基于4种测量模式建立了包含球杆仪安装误差与旋转轴PIGEs的杆长变化量数学模型。仿真分析了PIGEs对测量模式的影响,结果表明刀具球在两旋转轴轴线交点位置时,平行度误差不影响球杆仪杆长变化量。最后,通过实验辨识出旋转轴8项PIGEs,并对旋转轴PIGEs的4项位置误差进行补偿。实验结果表明,补偿后的位置误差最大绝对值由203.5μm减小至5.1μm,所提出的辨识模型可以有效提高五轴机床精度。

PSD几何误差测量系统及不确定度分析

针对形位误差高精度测量的要求,利用位置敏感探测器(PSD)具有高精度、高灵敏度、响应迅速、易于与其他系统集成等优点,搭建了以激光光束为基准线,二维位置敏感探测器为光电转化器件的形位误差测量系统,通过移动终端软件可实时显示采样点相对于基准线的位置变化并以最小二乘法快速输出形位误差评定结果,相较于传统测量方法更快速更稳定。系统对直线导轨的直线度进行测量并从单点测量和综合测量系统两个角度进行不确定度评定,实验表明:基于单点测量的标准不确定度为5.9μm,基于测量系统的标准不确定度为7.4μm,验证系统具有可靠的测量结果。

异形面型芯数控加工几何误差补偿方法

为对异形面型芯数控加工几何误差进行实时预测和补偿,提高异形面型芯的加工精度,本文提出几何误差补偿方法研究。根据机床的结构特点和误差类型布局测量点,离线测量数控机床几何误差。根据测量的误差结果明确补偿目标,从直线度误差、角度误差和定位精度误差3个维度计算补偿参数。结合测头半径补偿方法原理,进行误差补偿。试验结果表明,应用提出的方法进行误差补偿后,加工件的几何误差显著降低,不超过0.02 mm。

三轴立式加工中心几何误差辨识试验研究

机床几何误差作为衡量加工中心性能的一个重要指标,辨识结果的精确与否关键在于选择高精度测量仪器对机床原始误差的测量和对原始测量数据的处理,依据测量数据的处理结果可以有针对性地对机床几何误差项进行补偿。文中以三轴立式加工中心为研究对象,使用雷尼绍XL-80激光干涉仪采用“九线法”测量和辨识三轴立式加工中心的21项几何误差,对测量获取的机床原始误差数据基于主成分分析法进行处理,得到对机床误差影响最大的误差项,为立式加工中心的几何误差补偿提供了依据。

三轴数控机床几何误差分析及建模

机床几何误差具有稳定性、重复性和易测量等特点,对其进行建模和补偿,是提高数控(computer numerical control,CNC)机床加工精度最经济且有效的方式之一,在研究CNC机床几何误差时,建立准确可靠的几何误差模型具有重大意义。文中基于多体系统理论,运用低序体阵列描述三轴CNC机床的拓扑结构,应用齐次坐标变换矩阵和机床刀具运动传递链、工件运动传递链中各相邻体在运动过程中的运动传递关系,将机床几何误差沿运动误差传动链累积变换到刀具相对于工件的误差上,最终建立三轴CNC机床几何误差模型。该研究为三轴CNC机床的几何误差补偿提供理论依据。

基于全局灵敏度分析的卧式加工中心关键几何误差元素溯源研究

针对局部灵敏度分析试验点单一、全局灵敏度分析变量自带随机性的问题,提出一种基于几何误差元素辨识和全局灵敏度分析的机床关键几何误差元素溯源方法。借助螺旋理论构建基于全局坐标系的机床空间误差模型,借鉴正交实验设计思想,在机床工作空间内选取25个试验测点,设计关于位置误差模型的多因素正交试验。将正交试验的显著性检验结果F值作为全局灵敏度系数,准确溯源机床12项关键几何误差元素,为数字制造装备精度设计提供了重要的理论基础。

基于本体几何误差提取方案的自动生成

几何误差测量需要对零件表面离散点进行提取,提取点的分布方式称为提取方案,其合理性直接影响整个提取过程的质量。针对工程中提取方案的选择过度依赖测量者的经验所引起的不确定性、低效率问题,将本体引入提取方案的自动生成研究中。基于CAD系统中获取的零件测量信息,提出一种基于本体的几何误差提取方案的自动生成方法。根据几何误差提取方案领域知识构建几何误差提取方案本体,采用语义网规则语言定义提取方案的生成规则,基于Jess推理引擎设计出几何误差提取方案自动生成知识库系统,进而设计提取方案的自动生成算法。以某零件为实例验证了该方法的有效性。

几何误差测量方法应用分析——以机床导轨和机用虎钳直线度测量为例

设备的几何误差的测量是设备中零件制造、安装过程中重要的质量检测工作之一,测量结果是否准确直接关系到设备安装质量的好坏及后期使用精度。几何误差的测量方法虽然很多,但既能满足精度要求、又能便捷地用于工作设备在作业现场测量的测量方式方法就比较少。文章分别以机床导轨和机用虎钳导轨的直线度误差的测量为例,提炼出了设备实际测量过程中,两种不同工况下的四种常用的测量方案,加以分析、比较,最终推广出可操作性强、精确度高的最合理、最适应的测量方案,进而进行推广和应用。

数控机床关键几何误差元素溯源研究

基于螺旋理论对多轴数控机床空间误差建模,利用“十二线法”进行机床几何误差元素辨识实验,获得卧式加工中心的21项几何误差元素值。采用灵敏度分析法对卧式加工中心空间误差模型具有显著影响的关键几何误差元素进行了分析,其中,局部灵敏度分析法溯源出机床11项关键几何误差元素,全局灵敏度分析法溯源出12项几何误差元素。两种溯源方法得到的机床关键几何误差元素不同,但机床关键几何误差元素主要为集中在各运动轴上的线性误差,且各运动轴的转角误差的灵敏度系数均较小,验证了两种溯源方法的适用性。

双转台五轴机床旋转轴位置无关几何误差的辨识

旋转轴的位置无关几何误差(PIGEs)是影响五轴机床加工精度的重要因素。以AC双转台五轴机床为研究对象,提出一种基于差分演化算法的旋转轴PIGEs辨识方法。首先,建立机床旋转轴PIGEs和球杆仪杆长变化的关系模型,使用已有的辨识方法获得机床旋转轴PIGEs初始解,然后定义优化目标函数,通过差分演化算法整体优化求解旋转轴PIGEs,提高旋转轴PIGEs辨识准确性。实验与仿真的结果表明提出的旋转轴PIGEs辨识方法可有效提高辨识准确性。

考虑机床几何误差的球头刀三坐标NC铣削刀位控制

机床的各种误差是影响机床加工精度的重要因素,其中机床几何误差是主要的误差来源之一。为消除机床几何误差对加工精度的影响,以球头刀三坐标数控(numerical control,NC)铣削加工为研究背景,基于齐次坐标变换理论与刚体运动学方法,结合机床运动链拓扑结构分析,将机床几何误差映射到球头刀刀心的位置误差上。根据球头刀铣削工件表面成形原理,考虑机床几何误差与球头刀刀心位置间的映射关系,构建出刀心曲面与工件表面/设计曲面之间的正逆向计算模型。通过该模型求解出消除机床几何误差的编程刀心曲面,将该曲面导入CAM软件,即可获得消除机床几何误差的NC加工程序。通过曲面实例进行计算和仿真,佐证了该方法的可行性。

基于齿面位姿-几何误差模型的大规格滚齿机关键误差识别

为研究影响大规格滚齿机加工精度的关键几何误差,提出了一种基于齿面位姿-几何误差模型结合Sobol法的机床关键几何误差识别方法。首先,基于齐次坐标变换理论,建立了刀具位姿-几何误差模型,通过求解滚齿双参数包络方程,获得了加工齿面接触迹点坐标值,建立了机床齿面位姿-几何误差模型;然后,考虑几何误差的随机性和互耦性,利用Sobol法对该模型进行敏感性分析,计算了几何误差的敏感度系数以识别出关键几何误差;最后,进行了关键几何误差虚拟仿真修正和对比验证。研究结果表明,所提方法能有效识别大规格滚齿机的关键误差项。

基于典型零件加工要素的砂型成形机关键几何误差分析与补偿

砂型成形机用于加工复杂砂型零件,成形机几何误差为21项,且各个误差项目对于不同零件加工要素的影响程度有较大区别。因此,文章提出识别典型零件加工要素的关键几何误差及相关补偿,通过补偿提高砂型件加工精度。以砂型成形机所加工砂型件的典型加工要素为例,第一,典型加工要素包含圆柱台、圆锥台、菱形台和斜四方台4个典型加工要素;第二,基于误差灵敏度分析识别出典型加工要素对应的关键几何误差;最后,按照典型零件加工要素进行有针对性地补偿。在CAMTC-SMM2000砂型成形机上进行了实验验证,识别得到的关键几何误差灵敏度影响因子之和均大于90%,实施误差补偿后4个典型零件加工要素的加工精度提高了55%~70%。结果表明该方法能有效识别不同零件加工要素下的关键几何误差,提高了砂型件的加工精度。

基于错位塔形工件的旋转轴几何误差辨识

旋转轴的几何误差直接影响五轴机床的加工精度,但由于其误差项多且高度耦合,因此辨识难度较大。提出了一种工件切削在机测量方法,用于辨识五轴机床旋转轴6项与位置相关的几何误差。设计并加工一种错位塔形工件,它由三层错位叠加的矩形块组成。在工件不同层级的底面与侧面布置测点并进行在机测量,基于空间误差模型推导出每项误差的辨识原理与解析解,并采用蒙特卡洛模拟进行不确定性分析。最后,通过与球杆仪误差辨识方法进行对比验证,线性误差EXC,EYC与EZC的辨识结果偏差最大为2.7,-1.7与-1.3μm;角度误差EAC,EBC与ECC的辨识结果偏差最大为1.3″,-0.6″与-2.1″,两者辨识平均吻合度达95.4%。本方法通过工件切削与在机测量,每项误差的辨识原理与解析解形式简单,可辨识实际工况下的旋转轴6项位置相关的几何误差。

内螺纹磨床的几何误差建模及灵敏度分析

为提高内螺纹磨床的加工精度,建立了内螺纹磨床的几何误差模型并对其进行全局灵敏度分析。首先,基于多体系统理论和齐次坐标变换的方法,建立了砂轮磨削加工系统和砂轮修整系统的几何误差模型,通过误差传递推导出整机加工精度模型;其次,考虑到几何误差作用的随机性和耦合性,建立基于Sobol的拟蒙特卡洛法的全局灵敏度分析模型,识别出影响磨床加工精度的关键几何误差因素。利用MATLAB编写软件,以SCS-180TB的内螺纹磨床的加工误差模型进行灵敏度计算,并验证模拟次数的收敛性。