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五轴联动旋风铣削机床切削运动仿真及误差补偿研究

作　者: 谭立新
导　师: 龚进
学　校: 中南大学
专　业: 机械设计及理论
关键词: 旋风铣削精密加工五轴旋床虚拟制造误差补偿
分类号: TG54
类　型: 硕士论文
年　份: 2007年
下　载: 418次
引　用: 6次
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内容摘要

旋风铣削法能高效、低耗、清洁加工不同材料的各种复杂零件。要在我国实现其精密加工应用,需要解决与高速旋风铣削密切相关的诸多技术问题。本论文针对其中五轴联动旋风铣削机床的开发研制及综合误差建模与补偿问题进行研究。首先通过分析旋风铣削主要误差与速度的关系,论证了高速超高速是其用于精密加工的研究发展方向。应用虚拟制造技术对五轴联动旋风机床进行了设计与运动仿真分析。建立了三维数字分析模型,根据验证原理、机构和动态性能的顺序,运用仿真技术检验并修改了高速条件下的旋风机床结构设计。分析得知机床性能与设计质量能满足旋风加工要求,验证了方案的可行性;研究了处于旋风机床“刀具—机架”运动链最末端,其制造质量对加工精度影响最大的旋风刀具的多目标优化造型,对刀片、刀杆与刀盘进行了虚拟设计与装配并进行了有限元结构分析。通过静力学及模态分析,得到各个设计参数对刀具的静、动态影响,找出了各零件的薄弱环节,为刀具、刀盘以及连接支承件的结构设计方案验证和比较提供了可靠理论依据。为实现五轴旋床“进化”加工,研究了其误差建模和补偿。分析了机床各部件的几何误差和热误差对刀具和工件之间空间位置误差的影响,利用机器人运动学的有关原理进行了其综合误差分析与建模。基于小误差运动假设,详细分析了具有两个转动副的五轴旋风铣床误差运动和补偿运动的相互关系,利用机器人的微分变换原理,对误差补偿运动进行了解耦分析,通过解耦获得了五轴旋风铣床各运动副的位置及方向(转角)误差补偿量,建立了可以进行空间五个误差补偿量计算的数学模型。进一步建立了考虑工件热胀冷缩时五轴旋风铣床加工螺纹的误差实时插补计算的数学模型,为五轴旋风铣床用于螺纹精密加工时的综合误差实时补偿提供了理论基础。

全文目录

摘要  3-4
ABSTRACT  4-10
第一章绪论  10-27
  1.1 课题来源及研究意义  10-11
    1.1.1 课题来源  10
    1.1.2 本课题研究的意义  10-11
  1.2 旋风铣削技术国内外研究与应用现状  11-16
    1.2.1 旋风铣削工作原理  11-13
    1.2.2 国内旋风铣削技术的应用与研究现状  13
    1.2.3 国外旋风铣削技术的应用与研究现状  13-14
    1.2.4 国内研究现状与近期可行性研究方案分析  14-16
  1.3 五轴联动机床及其误差补偿研究现状  16-25
    1.3.1 五轴联动机床研究现状  16-19
    1.3.2 数控机床误差补偿的意义  19-20
    1.3.3 国外机床误差建模、测量及补偿技术研究的历史与现状  20-24
    1.3.4 国内机床误差建模、测量及补偿技术研究的历史与现状  24-25
  1.4 本论文的主要研究内容  25-27
第二章旋风铣削用于精密加工的基础理论研究  27-49
  2.1 螺旋面包络线曲率的计算方法、数学原理  27-35
    2.1.1 螺旋面的曲率特性  27-32
    2.1.2 螺旋体在加工过程中的包络线模型  32-34
    2.1.3 螺旋包络面及其退化情况  34-35
  2.2 旋风铣削运动的矢量建模  35-40
    2.2.1 内切法旋风铣削运动的矢量建模  35-37
    2.2.2 运动过程的矢量表达式  37-39
    2.2.3 内切与外切加工法的比较分析  39-40
  2.3 过切误差分析  40-41
  2.4 旋风铣削螺旋面包络线的位置偏差及其影响的近似计算  41-45
  2.5 不同相对速度下工件的变形与振动误差  45-48
  2.6 本章小结  48-49
第三章五轴联动旋风铣削机床设计模型及仿真分析  49-68
  3.1 五轴联动旋风铣削机床设计方案  49-51
  3.2 仿真分析的任务和目的  51-54
    3.2.1 仿真分析研究的内容  51-52
    3.2.2 确定仿真任务  52
    3.2.3 虚拟机床模型结构和仿真分析模型  52-53
    3.2.4 仿真分析模型关系和分类  53-54
  3.3 机床多体运动仿真  54-57
    3.3.1 多体运动学分析的任务  54-55
    3.3.2 建立仿真模型  55-56
    3.3.3 运动轨迹仿真分析  56-57
  3.4 机构运动仿真分析  57-60
    3.4.1 机构运动仿真的任务和目的  57-58
    3.4.2 机构运动仿真模型  58-59
    3.4.3 机构运动仿真分析  59-60
  3.5 电主轴的优化设计与动态仿真  60-66
    3.5.1 电主轴壁厚的优化设计  60-62
    3.5.2 电主轴长度的优化设计  62-64
    3.5.3 电主轴动态仿真的任务和目的  64-65
    3.5.4 电主轴动态仿真模型的建立  65
    3.5.5 切削力计算  65
    3.5.6 电主轴动态仿真  65-66
  3.6 本章小结  66-68
第四章旋风铣削刀具设计与有限元结构分析  68-91
  4.1 前言  68
  4.2 参数化设计以及有限元分析  68-70
    4.2.1 参数化设计的优点  68-69
    4.2.2 旋风铣削刀具有限元分析的应用及特点  69-70
  4.3 旋风铣削刀具多目标整体优化设计  70-78
    4.3.1 廓形设计原理  70-71
    4.3.2 工具廓形设计原理的适用范围及法向廓形的最佳平方逼近  71
    4.3.3 刀具型面多目标整体优化造形决策的模糊综合评判  71-74
    4.3.4 刀片和刀杆的分析和设计  74-75
    4.3.5 刀具三维实体设计的平台选择  75-76
    4.3.6 刀片的三维建模  76
    4.3.7 刀杆的三维造型  76-77
    4.3.8 旋风铣削刀盘的三维造型  77-78
    4.3.9 部分零部件造型及刀具装配  78
  4.4 旋风铣削刀具的有限元分析  78-89
    4.4.1 旋风铣削刀头的静力学分析  78-81
    4.4.2 刀具的静力学分析  81-84
    4.4.3 旋风铣削刀具的模态分析  84-89
  4.5 本章小结  89-91
第五章五轴联动旋风铣削机床误差综合建模  91-106
  5.1 引言  91
  5.2 齐次坐标变换矩阵  91-94
  5.3 机床运动副的运动误差分析  94-97
    5.3.1 移动副误差源  94-96
    5.3.3 转动副误差源  96
    5.3.4 转动副的运动误差  96-97
  5.4 五轴旋风铣床的结构分析  97-98
  5.5 五轴旋风铣床误差综合建模  98-105
    5.5.1 基坐标系的方向定义  98-99
    5.5.2 误差元素  99-101
    5.5.3 坐标系的设定  101-102
    5.5.4 运动轴的误差运动  102-105
  5.6 本章小结  105-106
第六章五轴联动旋风铣削机床空间位置误差的实时插补  106-113
  6.1 数控机床补偿的基本内容  106
  6.2 五轴联动旋风铣削机床空间位置误差的补偿策略  106-112
    6.2.1 坐标系旋转矩阵的逆变换  106-107
    6.2.2 齐次旋转变换矩阵的逆变换  107
    6.2.3 五轴联动旋风铣削机床空间位置误差补偿运动分析  107-108
    6.2.4 基于微分变换的误差补偿运动解祸  108-112
  6.3 本章小结  112-113
第七章结论与展望  113-116
  7.1 结论  113-114
  7.2 展望与思考  114-116
参考文献  116-124
攻读硕士学位期间发表的论文和科研成果  124-126
致谢  126

五轴联动旋风铣削机床切削运动仿真及误差补偿研究

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