误差自由曲面车削加工系统误差建模与实验

摘要：自由曲面不规则和多变的特点使其不但具有良好的光学性能，并能够缩小光学元件尺寸，让光学系统中的开创性设计成为可能。也正是基于这一特点，使得它最先是被航天，军事等尖端科学领域所关注，并开始承担重要的角色，此后由于其杰出体现，很快被诸如光学、汽车、电子、造船，甚至医学等领域所认可，并得到广泛地探讨和运用。对于自由曲面的制造来说，基于快速刀具伺服系统的金刚石车削精密高效，是最有前途且较为成熟的一种策略。然而由于自由曲面复杂的面形特性，并且在运用中往往对其面形精度和表面质量的要求也较高，由此，对自由曲面加工系统误差的探讨就显得格外的有作用了。本论文对机床空间内可能的原始误差进行总结浅析，同时以此为基础讨论了探讨中所利用的搭载了快速刀具伺服系统的三轴金刚石车床的误差组成，针对构成其误差的主要因素（几何误差，热误差和动态误差）进行描述，并重点浅析了机床运动误差及热量对自由曲面加工精度的影响，同时结合基于快速刀具伺服金刚石车削加工的特点，浅析了引起动态误差的主要因素。文中建立了三轴金刚石车床的综合误差模型，其中采取齐次坐标变换的策略建立了占总误差大于70%的几何误差和热误差的模型，同时通过实时切削力对系统的扰动量的浅析，最终建立了FTS系统的动力学模型。本论文的实验部分主要是通过利用激光干涉仪分别测量X向导轨的直线度误差和定位误差。而后，先对所测得的误差分量分布特点进行浅析，发现它们均具有良好的稳定性及可重复性，适合进行误差补偿的操作；再利用matlab采取一维小波浅析原理对每项误差分量的均方差去噪，最终得到最为真实的误差拟合曲线。实验浅析结果表明：若能够通过测量或辨识分别得到机床各部件的几何误差分量，将其带入上面陈述的几何误差模型中，可以得到机床总的几何误差的6个分量，而利用这六个误差分量分别对刀具路径轨迹的主要参数进行优化，最终能够采取FTS达到对几何误差进行补偿的目的。本论文所建立的误差模型和实验探讨为自由曲面车削刀具路径规划及误差补偿的深入探讨奠定了一定的基础。关键词：自由曲面论文快速刀具伺服车削论文误差建模论文几何误差论文激光干涉仪论文

摘要4-6

Abstract6-8

目录8-11

第1章 绪论11-25

1.1 探讨背景11-14

1.2 国内外探讨近况14-21

1.2.1 误差补偿技术14-16

1.2.2 机床误差建模策略16-18

1.2.3 机床误差检测策略18-19

1.2.4 测量数据处理策略19-21

1.3 本论文探讨作用和内容21-25

1.3.1 探讨作用21

1.3.2 探讨内容21-22

1.3.3 组织结构22-25

第2章 精密车床空间误差浅析25-37

2.1 精密车床工艺系统的组成25-26

2.2 机床空间误差源分类26-30

2.3 机床准静态误差浅析30-35

2.3.1 金刚石车床的准静态误差元素组成31-33

2.3.2 机床运动副误差对曲面加工精度的影响33-34

2.3.3 热误差对曲面加工精度的影响34-35

2.4 引起机床动态误差的因素浅析35

2.5 本章小结35-37

第3章 FTS 金刚石车床综合误差模型37-57

3.1 坐标系的确定37-39

3.2 齐次坐标变换法39-44

3.2.1 坐标变换39-40

3.2.2 齐次坐标40-41

3.2.3 齐次变换41-44

3.3 基于标准齐次坐标变换的准静态误差模型44-52

3.3.1 运动学浅析44-46

3.3.2 理想状态下各运动副坐标系间的变换矩阵46-47

3.3.3 三轴机床几何误差综合联系表达式47-50

3.3.4 考虑热量影响的机床准静态误差综合模型50-52

3.4 机床实时切削力动力学误差模型52-56

3.5 本章小结56-57

第4章 基于快速刀具伺服系统的金刚石车床误差实验57-75

4.1 实验系统组成与实验原理57-63

4.1.1 实验环境57-59

4.1.2 实验原理59-63

4.2 基于激光干涉仪的 X 向导轨几何精度测量实验与浅析63-68

4.3 基于小波分解的加工系统误差的测量数据浅析68-72

4.4 几何误差的补偿策略72-74

4.5本章小结74-75

第5章 总结与展望75-77

5.1 工作总结75-76

5.2 展望76-77