Precision Design for Machine Tool Based on Error Prediction

Digitization precision analysis is an important tool to ensure the design precision of machine tool currently. The correlative research about precision modeling and analysis mainly focuses on the geometry precision and motion precision of machine tool, and the forming motion precision of workpiece surface. For the machine tool with complex forming motion, there is not accurate corresponding relationship between the existing criterion on precision design and the machining precision of workpiece. Therefore, a design scheme on machine tool precision based on error prediction is proposed, which is divided into two-stage digitization precision analysis crucially. The first stage aims at the technology system to complete the precision distribution and inspection from the workpiece to various component parts of technology system and achieve the total output precision of machine tool under the specified machining precision; the second stage aims at the machine tool system to complete the precision distribution and inspection from the output precision of machine tool to the machine tool components. This article serves YK3610 gear hobber as the example to describe the error model of two systems and basic application method, and the practical cutting precision of this machine tool achieves to 5-4-4 grade. The proposed method can provide reliable guidance to the precision design of machine tool with complex forming motion.

基于D-H矩阵的Stewart型并联机床位姿误差计算模型

针对6自由度Stewart型并联机床,以D-H变换矩阵为建模工具,建立起包含铰座位姿参数、杆件D-H参数的机床动平台位姿方程。采用矩阵微分方法推导出一个机床位姿误差线性化计算模型。该模型不仅使铰座位姿参数误差、杆件D-H参数误差等几何误差全部进入机床位姿误差计算方程,而且将机床位姿误差与几何误差之间的非线性隐式函数关系简化为线性显式函数关系。基于支链杆长方程建立起一个能描述机床位姿误差与几何误差之间实际映射关系的非线性计算模型,以其作为参考模型对线性化计算模型的有效性进行检验。仿真表明:在小误差条件下,线性化模型可以很好地逼近非线性模型,由于具有形式简洁、分析与计算方便等特点,基于D-H变换矩阵的位姿误差线性化计算模型可用于Stewart型并联机床的精度分析、精度综合及运动学标定。仿真结果还表明:当对机床位姿精度要求较高时,需要考虑杆件的全部D-H参数误差对机床位姿的影响。

温度对交叉杆并联机床加工精度的影响分析

研究了环境温度对交叉杆并联机床加工精度的影响。采用闭环矢量法建立了该并联机床的运动学反解方程,并基于该方程通过优化算法建立了该机床的位姿误差模型,分析并比较了由环境温度变化引起的机床加工误差。研究表明,环境温度变化产生的驱动杆杆长误差相对较大,使得并联机床加工精度降低,由环境温度引起的机床加工误差在误差分析与补偿过程中是不可以被忽略的。为了提高并联机床的加工精度,必须对其工作环境温度进行控制或进行温度补偿。

基于奇异值分解的刚体位姿误差检测方法

为评估机床的运动精度,提出一种采用矩阵奇异值分解法来计算刚体实际位姿的方法。把3RPS并联机构的动平台视为空间刚体,采用奇异值分解法分析激光跟踪仪所测量的动平台上多个（5~10个）测量点的坐标值,得到动平台的实际位姿。与相应的理论位姿比较,检测出动平台在实际工作中的位姿误差。在分析实测数据时以位姿变换后测量点的位置误差平方和为目标函数,通过目标函数值可以剔除实测数据中的坏点,从而排除坏点对计算结果的影响。利用多个测量点计算刚体位姿可以避免只用3个测量点计算时,因坏点导致的错误结果的出现。通过实例计算验证了奇异值分解法的合理性和可行性,该方法适用于空间刚体位姿误差检测方面的研究。

并联机床的动力学特性对加工精度影响的分析

为了提高并联机床的加工精度,分析了并联机床的动力学特性对加工精度的影响。根据牛顿-欧拉方程,得到并联机床的动力学方程,解得连杆的驱动力;根据杆件轴向伸长量与受力之间的关系,得到连杆的长度误差;以无长度误差的连杆长度为优化目标,用优化的方法,得到动平台的位姿,并与连杆有长度误差时动平台的位姿比较,得动平台的位姿误差;根据刀具在动平台坐标系中位置,得刀具加工位置误差及对被加工零件精度的影响。结果表明:并联机床连杆的长度误差,引起刀具加工位置误差,使被加工零件产生形位误差和尺寸误差;并联机床电主轴偏心引起连杆的长度误差的扰动,产生刀具加工位置的扰动误差,影响被加工零件的表面粗糙度。

基于机器视觉的五轴点胶机转轴位姿求解

为了提高五轴机床转轴位姿标定的效率,提出了一种基于机器视觉求解双转台五轴机床转轴位姿(转轴向量和轴上一点)的方法。首先通过工业CCD相机拍摄不同转轴下的标定板照片,经过图像处理技术得到相机内外参;然后建立机床几何误差模型得到坐标系间的空间转换关系,从而计算得到转轴位姿在内的机床参数的初始解;最后通过levenberg-marquardt(L-M)算法得出最优的机床参数解值,随后,通过加工点跟随实验验证转轴位姿的精度。实验结果表明,所提出的求解方法满足实际加工精度要求,并且测量方法简单、快速。通过采集不同的标定板采图方式和L-M迭代初始值的仿真实验,验证了此方案具有良好的鲁棒性。

基于机床几何误差模型的数控加工形位误差预测

影响加工形位误差的因素众多,机床几何误差是其中最关键的因素。其影响零件的功能要求、配合性质和自由装配性,是评估机床加工精度的重要指标。本文通过构建机床几何误差和零件形位误差之间的映射关系对加工形位误差预测方法进行研究,建立了基于机床几何误差模型的三轴机床刀具位姿误差模型,并以刀具位姿误差为中间量建立了平面度误差和圆柱度误差预测模型。使用TH6920型镗铣床进行试验验证,与零件形位误差检测值对比,圆柱度预测误差为9.3%,平面度预测误差为4.8%,预测效果较好,验证了预测方法的有效性。

五轴并联机床刀具末端运动位姿自适应控制技术

高精尖领域对精密小零件的加工精度要求越来越高,五轴并联机床作为主要机械加工设备,严格控制机床刀具的运动位姿对于保证成品零件的加工精度具有极其重要的作用。在此背景下,研究一种五轴并联机床刀具末端运动位姿自适应控制技术。在五轴并联机床前方布置两个CCD摄像头作为视觉系统,拍摄关于刀具末端的左右两张图像;在图像预处理、特征点提取与匹配等环节的基础上,求解位姿参数,包括位置三维坐标以及3个姿态数据。以刀具末端运动实际位姿为输入,利用神经网络获取与刀具末端紧密相连的五轴关节角度补偿量。利用PID控制器,通过补偿量计算位姿控制量不断纠正位姿误差,靠近理想位姿。结果表明:应用所提控制方法,与理想位姿之间的平均误差均更小,且平均误差的波动最小,三维位置坐标波动仅在-0.02~0.015、-0.01~0.02、-0.02~0.02 mm之间;横滚角、俯仰角以及方位角波动仅在-0.02°~0.03°、-0.01°~0.04°、-0.02°~0.01°之间,由此说明所提控制方法的精度更高,控制稳定性更高。

基于距离加权误差的曲面体位姿调整优化算法

针对大型曲面体装配对接中存在的误差优化,研究了位姿调整中控制点匹配问题和测量误差最小化算法。提出了一种由对接基准面位置决定的距离加权误差计算新模型,研究不同的位姿控制点与基准面的位置关系对制造误差的权重赋值,并对控制点的理论坐标进行预处理,用非线性最小二乘法和高斯—牛顿迭代法求解坐标系转换的七参数最优解。通过实验验证,相比预处理前,该算法有效提高了对接准确度,为机床定位器调姿提供了一种新方法。