三轴数控铣床几何误差补偿技术分析

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1、承诺书本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，独立进行研究工作所取得的成果。尽我所知，除文中已经注明引用的内容外，本学位论文的研究成果不包含任何他人享有著作权的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人授权南京航空航天大学可以有权保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅,可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。(保密的学位论文在解密后适用本承诺书)作者签名：日期：南京航空航天大学硕士学位论文第一章绪论1.1研究目的与意义现代机械制造

2、技术正朝着高效率、高质量、高精度、高集成和高智能方向发展。精密和超精密加工技术已成为现代机械制造中最重要的组成部分和发展方向，并成为提高国际竞争能力的关键技术。随着精密加工的广泛应用，对数控机床加工精度的要求日益提高。提高机床精度有两种方法[1]，一种是误差防止法（ErrorPrevention），它是通过提高零件设计、制造和装配的水平来消除可能的误差源。另一种叫误差补偿法（ErrorCompensation），它是通过人为地造出一种新的误差去抵消当前成为问题的原始误差，通常通过修改机床的加工指令，对机床进行误差补偿，达到理想的运动轨迹，实现机

3、床精度的软升级。误差防止法虽能减少原始误差，但该方法主要存在着“受到加工母机精度的制约”及“零件质量的提高导致加工成本膨胀”等方面的缺陷，致使该方法的使用受到一定限制，即使可能，经济上的代价往往是很昂贵[2]。而误差补偿法主要采用“软技术”补偿方法，是一种既有效又经济（每台补偿实施成本仅为机床价格的5~10%）的提高机床精度手段，通过误差补偿技术可在精度不很高的机床上加工出高精度零件。误差补偿技术不但可用于新造机床以提高其技术含量，也适合于已有机床的改造以避免花巨资购买高精度机床[3][4]。研究表明，几何误差和由温度引起的误差约占机床总误差的

4、70%，在温度变化影响很小时，几何误差就占误差的主要部分[5]。几何误差相对稳定，易于进行误差补偿。所以，对数控机床几何误差的补偿，可以提高整个机械工业的加工水平，对促进科学技术进步，提高我国国防能力，继而极大增强我国的综合国力都具有重大意义。1.2国内外研究现状在机械制造业中，被加工零件的尺寸精度、形状精度和相对位置精度是机械加工精度的重要指标。近年来，提高数控机床加工精度的研究得到了充分重视。影响数控机床加工精度的误差源主要表现为[6]：（1）机床系统的空间误差，它包括：由于结构几何误差、热误差和承载变形误差引起刀具与工件作用点上的相对位置

5、偏差；由于伺服系统的跟随误差、进给传动机构误差和位置检测误差等引起的位移误差。（2）刀具系统的位置误差，主要是由于换刀、刀具的尺寸调整误差、受力变形、热伸长和磨损等因素引起的位置误差。1三轴数控铣床几何误差补偿技术研究（3）工件和夹具系统的位置误差，主要由装夹弹性变形、切削热和工件材质不均等随机误差引起的位置误差。（4）检测系统的测试误差，主要指加工过程中的实时检测，或工序间在机检测的测试误差。（5）外界干扰误差，指环境条件的扰动和运行工况波动引起的随机误差。上面的误差可按照误差的特点和性质，可分为两大类：随机误差和系统误差。数控机床的随机误差

6、具有随机性，必须采用“在线检测——闭环补偿”的方法来消除随机误差对机床加工精度的影响，该方法对测量仪器、测量环境要求严格，难于推广。数控机床的系统误差，由于其是机床本身固有的误差，具有可重复性。故可采取采用“离线检测——开环补偿”的技术来加以修正和补偿。数控机床的几何误差是系统误差的主要组成组分，故可采取离线检测出误差再进行开环补偿，进而提高机床的加工精度。1.2.1机床误差建模技术如何精确快捷的建立数控机床空间误差（几何误差、热变形误差、荷载变形误差）计算模型是实现机床误差补偿的关键问题之一。长久以来，世界各国学者一直在建立数控机床误差计算模

7、型领域进行艰难探索，开展了多方面的研究工作。由于机床拓扑结构的多样性，几何误差建模方法也有多种多样。1977年Schultschick矢量表达法建立了三轴坐标铣床的空间误差模型[7]。Hocken在1977年用多维误差矩阵模型提高了三维坐标测量机的测量精度[8]。1986年Ferreira和Liu提出了一种基于刚体运动学和小角度误差假设的三轴机床几何误差的解析二次型模型[9]。该领域的其他研究工作包括Anjanappa的研究[10]，他开发了一种运动模型，可以合成立式车削加工中心的所有几何误差。另一种新颖的研究是Chen等人1992年的工作[1

8、1]。在该研究中去除了刚体运动的假设，可以对非刚体误差进行补偿。Lin和Ehmann在1993年提出了一种直接空间误差解析方法[12]，可以评价多轴机