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数控机床加工过程综合误差分析

作 者: 樊皓
导 师: 李航
学 校: 河南科技大学
专 业: 机械制造及其自动化
关键词: 数控机床 几何误差 切削力误差 有限元 建模 神经网络
分类号: TG659
类 型: 硕士论文
年 份: 2012年
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内容摘要


当今,数控机床的应用越来越广泛,数控机床的加工精度是切削加工的核心问题,减小加工误差是提高加工水平的重点。其中,几何误差是机床最为主要的误差源,但是随着数控技术的不断发展,以及现代机械加工中,精度要求的提高,切削力导致的误差问题变得重要起来。数控机床加工过程中几何误差和切削力误差同时存在,工件的加工精度受几何误差和切削力误差的综合影响。本文围绕着数控机床加工过程中的几何误差和切削力误差展开研究。本文主要研究内容包括以下几方面:1.详细分析了数控机床中结构件、移动副、转动副产生误差的原因,识别出了三轴数控机床对加工精度影响较大的21个几何误差元素和35个切削力误差元素,以齐次坐标变换原理为基础,推导得出数控加工综合误差数学模型,找到了刀具相对工件在机床空间内的综合加工误差与原始误差项之间的映射关系。所推导出来的映射关系计算公式具有通用性,可以推广到其他三轴数控机床上。2.以Cincinnati Arrow750型数控加工中心为研究对象,利用Heidenhain平面光栅测量系统检测机床作圆轨迹时候的几何误差,根据检测的数据得出:半径一定时,进给速度与圆轨迹误差成正比;进给速度一定时,圆运动半径与圆轨迹误差成反比。找出了机床作圆运动时径向误差与机床部件几何误差之间的函数关系,根据此函数关系在理论上分析了不同进给速度、不同圆半径和滚珠丝杠螺距误差对圆运动轨迹的影响,得出了与实验相同的结论。3.利用三维造型软件CATIA和有限元分析软件ABAQUS建模计算机床切削传动链(主轴、刀具、工作台、工件和X、Y、Z三个方向的溜板)加工零件时受到切削力产生的变形,从而得到切削力误差。得出结论:Cincinnati Arrow750型加工中心进行铣削过程中,X方向为切削力误差敏感方向,并且其在X、Y方向的刚度相对Z方向来说比较薄弱,最后针对减小机床切削力误差对加工精度的影响,提出了主轴轴承配置形式和立柱结构的改进方案。4.基于切削传动链部件受切削力变形的有限元分析,求解出了加工中心加工半球时一些特征位置的切削力误差,通过实验测量得到了几何误差,对两种误差矢量求和,得到综合误差。在此基础上应用BP神经网路技术建立了数控加工综合误差预测模型,模型能够比较准确的预测未仿真和未检测机床空间内切削点的加工误差,为加工中心综合误差补偿做好了准备。

全文目录


摘要  2-4
ABSTRACT  4-8
第1章 绪论  8-14
  1.1 选题的意义  8
  1.2 数控机床误差的分类及产生原因  8-10
  1.3 现代机械制造对切削力误差研究的要求  10
  1.4 数控机床几何误差的常用测量方法  10-13
    1.4.1 间接法  10-11
    1.4.2 直接法  11-13
  1.5 本文主要内容  13-14
第2章 数控加工综合误差数学模型  14-36
  2.1 齐次坐标的基本概念  14-18
    2.1.1 齐次坐标  14
    2.1.2 齐次坐标变换矩阵  14-18
  2.2 三轴数控机床几何误差和切削力误差元素的辨识  18-20
    2.2.1 三轴数控机床几何误差的辨识  18-19
    2.2.2 三轴数控机床切削力误差的辨识  19-20
  2.3 数控机床关键部件的综合误差分析  20-28
    2.3.1 支撑件误差研究  20-21
    2.3.2 移动副误差研究  21-23
    2.3.3 转动副的误差研究  23-26
    2.3.4 坐标轴之间的垂直度误差  26-28
  2.4 三轴加工中心综合误差数学模型的建立  28-35
    2.4.1 数控机床坐标轴和运动方向的规定  28-29
    2.4.2 数控机床关键部件(传动链)的综合误差模型  29-33
    2.4.3 数控加工综合误差模型的推导  33-35
  2.5 本章小结  35-36
第3章 数控机床几何误差的分析  36-46
  3.1 数控机床几何误差分量和径向误差的复映关系  36-37
  3.2 数控机床圆运动误差实验方案  37-39
  3.3 实验结果分析  39-41
  3.4 圆运动的径向误差分析  41-44
    3.4.1 进给速度、圆半径与径向误差的复映关系  41-43
    3.4.2 圆插补运动轨迹相限转换处跃差分析  43-44
  3.5 本章小结  44-46
第4章 数控加工切削力误差分析  46-68
  4.1 数控加工切削力与机床变形量的获得方法  46-47
    4.1.1 直接测量法  46
    4.1.2 基于有限元分析软件仿真法  46-47
  4.2 基于 ABAQUS 加工半球时三轴数控加工中心的有限元分析仿真  47-58
    4.2.1 加工中心辛辛那提 750 关键部件的实体模型  47-48
    4.2.2 考虑结合面接触刚度的数控机床加工有限元仿真  48
    4.2.3 结合部三个方向的刚度以及主轴轴承的刚度计算  48-55
    4.2.4 施加切削力与设置输出量并求解  55-58
  4.3 基于仿真计算结果的切削力误差分析  58-67
    4.3.1 基于有限元法分析切削力误差  58-64
    4.3.2 基于减小切削力误差加工中心的结构改进  64-67
  4.4 本章小结  67-68
第5章 基于 BP 神经网络的综合误差预测模型  68-78
  5.1 BP 神经网络概述  68-71
    5.1.1 BP 神经网络的基本概念  68-69
    5.1.2 BP 神经网络的工作原理  69-70
    5.1.3 隐含层节点数的确定  70-71
  5.2 建立基于 BP 神经网络的综合加工误差预测模型  71-72
  5.3 基于 MATLAB 的 BP 神经网络综合误差预测模型  72-77
  5.4 本章小结  77-78
第6章 结论与展望  78-80
  6.1 结论  78-79
  6.2 展望  79-80
参考文献  80-84
致谢  84-85
攻读硕士学位期间的研究成果  85

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中图分类: > 工业技术 > 金属学与金属工艺 > 金属切削加工及机床 > 程序控制机床、数控机床及其加工
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