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基于多体系统的弧面凸轮廓面误差系统分析与预测研究

作　者: 匡正
导　师: 胡自化
学　校: 湘潭大学
专　业: 机械制造及其自动化
关键词: 弧面凸轮多体系统廓面误差机床运动误差误差综合分析
分类号: TH132.47
类　型: 硕士论文
年　份: 2011年
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内容摘要

弧面凸轮机构能够实现多种复杂运动形式,已在许多自动机械中广泛应用。作为其关键部件,弧面凸轮的加工精度和表面质量直接决定了该机构的工作性能和品质。目前国内外弧面凸轮加工主要采用数控加工方法,但我国精密弧面凸轮的研发能力与国外相比还有较大差距。究其原因主要是弧面凸轮工作廓面结构复杂,加工难度大,特别是数控编程仅基于纯几何的刀具轨迹规划方法未能充分考虑机床误差、工装误差、刀具误差等多项原始误差的综合影响,弧面凸轮廓面误差无法实现科学预测和有效控制。如何揭示机床误差、工装误差、刀具误差等多项原始误差对弧面凸轮加工精度的综合影响,实现弧面凸轮廓面误差高效、科学预测和有效控制是精密弧面凸轮机构产品研发中的一项重要课题。因此,迫切亟待开展弧面凸轮廓面误差系统分析与预测研究,为弧面凸轮加工刀轨优化和误差有效控制提供科学依据。为此,本文利用多体系统误差建模理论、弧面凸轮机构空间啮合原理、Matlab等手段,探索弧面凸轮廓面误差综合模型,深入分析各原始误差对弧面凸轮廓面加工精度的影响规律。具体研究工作如下:1)综述了弧面凸轮加工误差分析、多体系统理论在切削加工误差分析中的应用和数控机床几何误差建模的研究现状,并推导了弧面凸轮理论廓面方程,奠定了后续研究基础。2)分析了机床空间几何误差因素。针对DMU80T五轴立式镗铣加工中心,在分析机床结构特点和运动几何误差的基础上,建立了该数控机床的空间几何误差模型。3)建立了弧面凸轮廓面误差综合模型。根据范成法和单侧面加工方法并结合具体机床的结构和配置条件,以多体系统误差建模理论和弧面凸轮机构空间啮合原理为基础,分别推导出范成法加工和单侧面加工的包含机床各轴运动误差在内的弧面凸轮误差廓面方程,同时给出了弧面凸轮廓面法向误差的定义、计算方法和计算过程。4)进行实例仿真分析。基于上述研究工作,利用Matlab编制了弧面凸轮廓面多轴数控加工误差综合分析程序,实例仿真计算结果反映出各原始误差对弧面凸轮廓面误差的综合影响规律。综上,本文的研究为弧面凸轮廓面误差高效、科学预测提供了理论依据,为弧面凸轮加工刀轨优化和基于误差补偿的高效精密加工奠定了基础。

全文目录

摘要  4-5
Abstract  5-10
第1章绪论  10-17
  1.1 研究背景与意义  10-11
  1.2 国内外研究现状  11-15
    1.2.1 弧面凸轮加工及误差分析  11-12
    1.2.2 切削加工误差分析中多体系统理论的应用  12-13
    1.2.3 数控机床几何误差建模研究  13-15
    1.2.4 目前存在的主要问题  15
  1.3 研究目标及主要内容  15-16
    1.3.1 研究目标  15-16
    1.3.2 主要内容  16
  1.4 本章小结  16-17
第2章相关基础理论  17-34
  2.1 引言  17
  2.2 切削加工误差来源及分类  17-19
  2.3 多轴数控加工理论基础  19-20
  2.4 弧面凸轮啮合原理  20-23
    2.4.1 坐标系的描述  20-21
    2.4.2 凸轮理论廓面方程  21-22
    2.4.3 啮合角的求解  22-23
  2.5 多体系统理论基础  23-25
    2.5.1 多体系统理论的提出背景及应用  23
    2.5.2 多体系统理论的描述方法  23-25
  2.6 基于多体系统理论的数控机床误差建模分析  25-33
    2.6.1 机床误差特征描述  25-26
    2.6.2 特征变换矩阵表达方式  26-30
    2.6.3 机床运动副空间误差模型的建立  30-32
    2.6.4 数控机床空间误差建模步骤  32-33
  2.7 本章小结  33-34
第3章 DMU80T 五轴联动数控机床空间几何误差模型建立  34-40
  3.1 引言  34
  3.2 机床结构分析  34-35
  3.3 机床拓扑结构和低序体阵列  35-36
  3.4 误差分析和特征矩阵的求解  36-38
  3.5 空间误差模型的建立  38-39
  3.6 本章小结  39-40
第4章含机床误差影响的弧面凸轮数控加工廓面综合误差探究  40-52
  4.1 引言  40
  4.2 含机床误差的范成法加工弧面凸轮误差廓面方程的建立  40-47
    4.2.1 机床误差分析及特征矩阵的求解  40-43
    4.2.2 弧面凸轮误差廓面方程的建立  43-44
    4.2.3 凸轮廓面法向误差的定义  44-45
    4.2.4 凸轮廓面法向误差的计算  45
    4.2.5 计算方法  45-47
  4.3 含机床误差的单侧面加工弧面凸轮误差廓面方程的建立  47-51
    4.3.1 单侧面加工的基本原理  47
    4.3.2 机床误差分析及特征矩阵的求解  47-50
    4.3.3 弧面凸轮误差廓面方程的建立  50-51
    4.3.4 凸轮廓面法向误差的计算  51
  4.4 本章小结  51-52
第5章实例仿真及结果分析  52-60
  5.1 引言  52
  5.2 实例仿真及结果分析  52-59
    5.2.1 范成法加工误差计算仿真及结果分析  52-55
    5.2.2 单侧面加工误差计算仿真及结果分析  55-59
  5.3 本章小结  59-60
结论与展望  60-61
参考文献  61-65
致谢  65-66
附录A 含机床误差的范成法加工弧面凸轮误差廓面方程  66-77
附录B 含机床误差的单侧面加工弧面凸轮误差廓面方程  77-95
附录C 法向误差计算牛顿迭代函数  95-96
攻读硕士学位期间发表的论文及科研成果  96

基于多体系统的弧面凸轮廓面误差系统分析与预测研究

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