串并混联机床几何误差建模与实验

以多体系统理论为基础,研究了串并混联机床的几何误差。考虑各运动轴的定位误差、直线度误差、角度误差以及垂直度误差的综合作用,提出一种机床综合误差建模方法。通过对该机床各部件拓扑结构进行抽象化描述,推导出混联机床两相邻体间相对运动的特征矩阵,建立了混联机床的整机综合误差模型。利用激光干涉仪对X、Y轴多项几何误差进行测量,并将测得的几何误差带入综合误差模型。通过分析所测的各项几何误差以及综合误差分布和演变规律发现:X、Y轴定位误差对整机综合误差的影响最大,直线度误差次之,角度误差影响最小;在精度要求不高的情况下,角度误差对综合误差的影响可忽略。     

气浮直线驱动平台定位误差影响因素研究

为实现气浮直线驱动平台定位误差的精确补偿,对气浮直线驱动平台定位误差的影响因素进行了研究。试验测量了气浮直线驱动平台的定位误差,发现其测量结果中包含有随机误差、时变的热误差以及与位置相关的几何误差。对定位误差进行补偿的前提是根据不同误差的性质准确地将其分离,否则就会存在少补或过补的现象。本文利用统计学的方法求出随机误差的数学期望,对测量数据的均值进行修正,消除随机误差对测量值的影响。进一步对修正后的均值进行多项式拟合,将位置相关的几何误差和时变的热误差分离,并发现时变的热误差对超精密气浮直线驱动平台的定位误差影响很显著,需要进行在线实时补偿。提出使用NURBS曲线插值的方法,建立位置相关的几何误差的预测模型,从而实现对位置相关的几何误差进行精确的预测和离线误差补偿。     

深孔轴线直线度测量技术研究

针对深孔轴线的直线度的测量，设计了一种远距离，二维直线度的激光测量方法。这种方法以经过单模光纤耦合的单一、准直的激光束作为测量基准，光电二维位置敏感元件采用四象限光电池，实现了水平和竖直方向直线度的同时测量和同时显示，并对信号进行处理和直线度误差评定，得出深孔轴线直线度的误差值。     

应用激光跟踪仪的三坐标测量机几何误差检测方法

几何误差是三坐标测量机的重要误差来源。当前三坐标测量机几何误差检测方法存在效率低、测量精度不高的问题,严重影响三坐标测量机使用性能的进一步提升。为此,提出了一种应用激光跟踪仪的三坐标测量机几何误差检测与直接分离方法。首先,基于多体系统理论和齐次坐标变换方法,建立三坐标测量机几何误差模型;其次,建立激光跟踪仪测量几何误差的数学模型,以三坐标测量机几何误差特性为约束条件,结合Levenberg-Marquardt方法,从而实现了几何误差的直接分离。最终,应用该方法在某三坐标测量上进行了几何误差检测试验,并使用激光干涉仪进行了单项定位误差和空间位置误差的检测对比。试验结果表明该三坐标测量机X轴、Y轴和Z轴定位误差分别为-27.06μm、43.75μm和36.76μm,X轴、Y轴垂直度误差为-82.89μrad,是其主要误差来源;预测最大空间误差为76.64μm,位于测量空间的极限区域。辨识结果与激光干涉仪检测结果相比,X轴、Y轴和Z轴定位误差最大相差7.43μm,体对角线预测定位误差最大相差10.51μm;与其他跟踪测量方法相比,X轴和Y轴空间位置误差与激光干涉仪检测结果相差最小为5.3μm,验证了该方法的有效性。该方法可在2h内实现三坐标测量机17项几何误差的检测,具有快速和高精度的优点,在三坐标测量机和数控机床精度检测领域有较大的应用前景。     

五轴数控机床运动误差建模与测试技术

针对双轴旋转工作台五轴数控机床,运用齐次变换矩阵建立了机床运动误差模型,并得到了相应的简化模型.为了测量双轴转台五轴数控机床的运动误差,提出一种基于双球杆仪的五轴机床运动误差分离方法.此方法通过控制数控机床的运动,使机床的任意1个旋转轴与2个直线轴构成三轴联动而另外2个轴保持静止,据此设计了6种机床运动轨迹来测量误差.在测量过程中采用双球杆仪来测量主轴与工作台之间的相对距离,将所测特定位置处的长度值代入误差模型即可得出机床的运动误差.该方法大大简化了数学模型的计算和误差分离的整个过程.仿真分析表明:此方法可以精确地分离出五轴数控机床的旋转工作台的所有8个运动误差,是一种非常有效而简便的五轴数控机床运动误差测量方法.     

大型龙门机床的直线度误差建模及误差补偿

为减小大型龙门数控机床空间直线度误差,提高国产数控机床加工精度,提出基于B样条曲线的空间直线度误差模型及其补偿方法。使用激光干涉仪分别检测三轴龙门数控机床6个方向的直线度误差,应用B样条方法建立空间直线度误差数学模型.利用数控系统外部机械原点偏移功能,应用自主研发的误差实时补偿系统并依据基于B样条曲线的空间直线度误差数学模型,实现对大型龙门数控机床的空间直线度误差补偿.采用两轴联动补偿切削导轨面的方法进行试验,并与多项式模型和斜线插补模型进行对比,结果表明:B样条模型补偿后的导轨直线度最优,检测的导轨各方向直线度误差均减小90%以上,显著提高了大型龙门数控机床加工精度.     

大型直齿圆柱齿轮误差测量系统研究

针对大型齿轮在机测量存在必须停止加工过程,影响加工效率和经济效益的问题,研制了一种大型直齿圆柱齿轮离线自动测量系统．测量系统以PC为控制中心,可根据用户选择自动生成测量路径;其选用高精度测头和光栅尺,利用数控系统驱动x,y、Z轴及旋转载物台,可以实现测量位置的精确定位;可以实现齿形误差、齿距误差和齿向误差的自动测量．     

大功率LED倒装机运动平台横梁的定位误差实验分析

横梁作为关键构件对大功率LED倒装机运动平台的精确定位具有重要意义。通过搭建实验平台展开横梁定位误差实验研究,对复杂工况中定位误差实验数据进行深入分析,获得了LED倒装机运动平台横梁沿Y轴方向进行定位运动时右端产生定位误差的变化规律,即:绑头机构在横梁左中右不同位置时,随着定位位移的增大,横梁沿Y轴方向分别以不同速度匀速到达预定位置时,横梁右端产生定位误差的变化趋势基本相似;同一速度下,随着定位位移的增大,产生的定位误差也稍微大些。实验结果对横梁右端定位误差规律的掌握及误差补偿具有重要参考意义,为进一步提高大功率LED倒装机运动平台的定位精度提供一定的理论支持。     

三轴仿真转台误差建模与分析

基于多体系统运动理论建立三轴仿真转台系统的误差模型,研究了三轴转台有误差情况下的基本运动规律。针对仿真转台的结构和工作原理,详细的分析了影响转台设备的指向精度和中心位置精度的各项几何误差,并利用仿真的方法比较了这些误差项对转台定向和定位精度的影响效果。此方法也可为仿真实验的误差分配、误差补偿提供理论依据,以提高仿真试验整体精度。     

五轴机床旋转轴几何误差分析与补偿

五轴机床旋转轴之间装配所导致的位置无关几何误差（PIGEs—Position independent geometric error）是决定机床精度的关键因素,如何量化PIGEs对位姿精度的影响程度以及误差项之间的耦合作用强弱,从而合理地确定补偿值的权重系数是目前机床误差补偿技术所关注的热点问题。为降低五轴机床装配导致的PIGEs对机床精度的影响,首先,基于多体系统理论及齐次坐标变换方法建立了混合式五轴机床几何误差综合模型,表征了空间误差向量与几何误差项之间的映射关系。其次,考虑几何误差的分布特性,引入Morris全局灵敏度分析方法量化几何误差的作用效果及误差参数间的耦合强弱,通过灰色关联度分析表征误差的敏感性系数与位置向量、姿态向量间的关联程度,基于分析结果确定位置无关几何误差补偿值的权重系数。最后,以摆头-转台为特征的混合式五轴机床为例,进行基于球杆仪(DBB-Double ball bar)的几何误差测量辨识实验,利用辨识值进行虚拟圆锥台轨迹测量、误差补偿和复杂曲面零件加工实验。结果显示：十项几何误差对姿态误差的直接作用效果最为明显,利用基于敏感性分析的修正补偿值进行误差补偿后,虚拟圆锥台测量轨迹的半径偏差减小了65.1%,圆度误差降低了58.8%。基于误差分析实施误差补偿后,“S”型工件的轮廓精度平均提升了49.9%,误差补偿结果验证了误差分析结果的准确性和有效性。     

绳牵引刚柔式波浪补偿并联机构的设计与建模

为了减少海上集装箱货物运输中风浪造成的损坏,提出刚柔混合驱动主动式波浪补偿并联机构. 基于刚柔混合并联机构的动定平台的矩阵旋转原理和几何封闭法建立位置逆解数学模型;利用空间几何原理构建机构位置正解数学模型;利用求导法则对位置逆解进行求导,建立速度雅可比矩阵与加速度的二阶影响矩阵;基于绳子是柔性变形体推导出系统刚度矩阵,探究影响系统刚度的因素和增加系统刚度的原则. 利用数值模拟仿真对运动学和系统刚度进行验证,结果表明位置正逆解的输入输出误差不超过实际误差的2.25%;发现理论仿真曲线和样机仿真曲线较吻合,误差不超过7.4%,验证了运动学模型的正确性;根据刚度矩阵发现刚度影响因素对系统刚度的影响规律. 通过对绳驱动刚柔混合驱动波浪补偿并联机构的实验验证,发现该机构的补偿效果均高于90%. 证明研究结果为刚柔混合主动式波浪补偿并联机构的运动和机构设计提供了理论支持.     

圆柱形工件素线在线测量新方法

本文对现行的双测头等截距测量直线度理论进行了深入的研究。在此基础上，提出了一种圆柱形工件素线直线度误差 线测量的新方法。该法不仅可分离机械和加工系统的运动误差，而且能分离刀具作用力引起的工件弹性变形信号。因而大在提高了素线的在线测量精度。     

直接驱动XY平台位置域轮廓跟踪控制

针对直接驱动XY平台轮廓误差近似模型建立困难的问题,提出一种提高轮廓跟踪性能的位置域轮廓跟踪控制方法.通过将双轴运动系统等效为主-从运动方式,主动轴(X轴)以位置量作为自变量,将从动轴(Y轴)的运动描述为不同轮廓跟踪要求的X的函数.通过从时域到位置域的一一映射,得到双轴运动系统的位置域动态模型.提出了位置域PD控制策略,主动轴运动以自身为参考产生的位置跟踪误差为零,仅有从动轴的运动跟踪误差影响到了最后的轮廓误差.仿真结果表明,位置域轮廓控制相比时域轮廓控制能够获得更好的跟踪精度.     

利用动态数据系统处理方法对加工不直度进行计算机的在线予报补偿控制

为在镗削时提高被加工孔的轴线直线度的精度,给出了拖板运动直线度误差和刀具回转轴线运动误差之间的关系,并研制利用激光测量装置在线同时测量拖板运动不直线度五个误差分量△Z,△Y,α,β,γ。利用动态数据系统(D.D.S.)处理方法对所得的数据进行系统建模,得到该动态系统最佳模型——四阶自回为模型AR(4)。利用微处理机对加工直线度误差进行向前一步予报及补偿控制,模拟实验结果表明在340毫米长度上镗孔轴线直线度误差在Y,Z两方向上分别从8微米和15微米缩减到2微米和9微米,校正效果显著。该方法可用于计算机数字控制机床及加工中心。     

三坐标测量机气浮导轨引起的动态误差

为了分析弱刚度气浮导轨对测量机动态测量误差的影响,根据三坐标测量机气浮导轨分布情况和摩擦力特点,应用动力学知识对气浮导轨弱刚度和单边驱动引起的动态测量误差的传递路径、影响因素、表现形式进行系统的研究,推导了单边驱动引起的气浮导轨振动变形振幅的理论计算公式.分析结果表明,振动的主要激励是驱动力与惯性力形成的力偶,振幅大小与驱动加速度波动相关.应用谱分析方法对数据进行处理,验证了理论分析结果,气浮导轨振动引起的动态测量误差是测量机误差的主要成分之一,各误差分量相关性较强,测量机存在最佳测量速度.     

一种基于公差的机床导轨几何误差预测方法

在机床的初始设计阶段,只有机床关键零部件的公差已知。由于机床导轨几何误差对机床精度设计起到关键的指导作用,而机床设计者们只有利用设计经验才能获得几何误差。因此,在新机床设计初期,如何准确预测机床几何误差是十分必要的。本文基于机床导轨的各项公差,提出一种预测几何误差的方法。首先,采用截断的傅里叶级数对导轨表面形貌误差进行拟合建立了机床导轨公差与表面形貌误差之间的映射关系,同时建立了表面形貌误差与几何误差之间的映射关系,因为表面形貌误差在公差和几何误差之间起到桥梁作用,因此建立了基于导轨公差的几何误差预测模型,接着对该预测模型进行仿真分析,结果表明预测的几何误差（定位误差,y向直线度误差,z向直线度误差,滚摆误差,颠摆误差和偏摆误差）分别为17.12μm, 56.57μm, 70.71μm, 28.28μrad, 141.42μrad, 113.14μrad。最后,利用双频激光干涉仪对导轨几何误差进行测量,同时利用傅里叶曲线拟合方法对测量结果进行拟合,拟合结果表明测量的几何误差分别为16.96μm, 59.43μm, 68.63μm, 28.65μrad, 135.40μrad, 111.58μrad。对仿真结果和测量结果进行差值比较,发现残差值最大不超过几何误差值的10%,因此在机床的设计阶段该方法可以有效地预测几何误差并代替几何误差的实际测量,为机床设计者提供重要的理论依据。该方法的核心思想可以直接应用到其他类型导轨几何误差的预测。     

卧式加工中心双驱Z轴装配体几何误差分析

为了量化和识别出零部件制造和装配过程中制约机床精度的关键几何误差项,基于雅克比旋量模型对卧式加工中心的双驱Z轴的装配几何误差建模进行研究,合并平行度和直线度的公差带区域,确定尺寸和几何公差约束下的几何要素的变动和约束方程,建立含有约束条件的误差模型,将模型仿真数据与相似条件下的实测机床误差数据进行对比验证,最后采用Sobol方法进行几何误差敏感性分析。结果表明:雅可比旋量模型可以有效地定量分析机床几何误差分析,丝杠导程误差、床身平面度、导轨Y向的直线度和运行平行度是影响双驱Z轴运动精度的关键误差项,部分误差项间的耦合作用明显。研究结果有助于辨识影响机床精度的关键误差项,为卧式加工中心双驱Z轴的几何误差分配和补偿调整提供理论依据,建模方法适用于多种装配过程。     

研磨机床几何误差对金刚石刀面粗糙度的影响

为探究研磨机床几何误差对金刚石刀具后刀面粗糙度的影响规律,建立研磨机床精度与刀具后刀面表面轮廓的数学模型. 借助多体系统理论对研磨机床的误差传递进行建模;基于样条滤波算法建立机床误差与刀具后刀面粗糙度之间的定量关系;分析主轴、摆轴的端面和径向跳动误差以及往复轴的直线度误差对刀具后刀面粗糙度的影响规律. 结果表明:主轴、摆轴和往复轴几何运动误差对刀具后刀面粗糙度的影响占比分别为98.18%、1.59%和0.23%;主轴的端面和径向跳动误差是影响后刀面粗糙度的主要因素,研究结果为研磨机床的设计制造与金刚石刀具研磨工艺的优化提供理论指导.     

刮板输送机直线度误差预测模型

为了实现刮板输送机直线度误差的准确预测,本文根据刮板输送机调直要求,利用给定方向上的直线度误差提出了刮板输送机直线度评定方法,发现了刮板输送机直线度误差为综采工作面所有推溜点样本的极差.基于极差理论建立了刮板输送机直线度误差预测模型,该模型可预测直线度误差的平均值、标准差及其波动范围,通过与调直数值仿真结果对比,证明了该模型的正确性和准确性.结果表明：随着推溜误差和检测误差的标准差的增大,刮板输送机直线度误差及其波动范围逐渐增大.刮板输送机直线度误差随推溜点数逐渐增大,但直线度误差波动范围逐渐减小.利用现场试验数据验证了所建立的直线度误差预测模型,刮板输送机调直后直线度误差平均值和波动范围的预测结果与现场试验结果较为接近.根据液压支架推溜误差和刮板输送机直线度控制目标,可以确定采煤机惯性导航定位系统的技术指标.液压支架推溜误差的标准差为10 mm时,刮板输送机直线度误差无法控制在50 mm以内.当刮板输送机直线度误差分别在100,200,300和400 mm以内时,采煤机惯性导航定位系统的标准差应分别不大于9.135,25.176,39.384和53.248 mm.     

用两点法测量轧辊坯素线直线度误差

介绍了两点法误差分离技术（Ｅｒｒｏｒ Ｓｅｐａｒａｔｉｏｎ Ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ,即：ＥＳＴ）的原理,并在轧辊坯素线直线度误差测量中应用,对测量结果进行了分析,表明两点法误差分离技术应用于轧辊坯素线直线度误差测量,大大提高了测量精度和测量效率。