（机械制造及其自动化专业论文）五轴数控机床运动误差辨识及加工精度预测技术研究.pdf

独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他 人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京工业大学或其它教育机构 的学位或证书而使用过的材料。与我。一同工作的同志对木研究所做的任何贡献均 已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 签名：竺垦鲤日期：2 巨：五：z 关于论文使用授权的说明 本人完全了解北京工、i k 大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部或部 分内容，可以采h j 影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名：童园遣砉导师签名： 至鹫 口期：兰丝： ! z 摘要 摘要 随着技术的进步，制造行n k 对具有复杂几何形状和高尺寸精度的机械零部件 的需求急剧增加，五轴数控加工机床已经被j 泛戍用于模具和具有复杂形状的机 械零部件的加工，例如航空部件和涡轮叶片等。与三轴机床相比，五轴机床多出 2 个旋转自由度，当机床在加工自由曲面时它能为切削工件提供直接的坐标，并 且可以通过改变刀具的方向来优化切削性能。但是机床结构复杂程度的增加也给 机床加工精度的提高带来一定的凼难，这主要是由于五轴机床中的直线轴与旋转 轴的联动和由运动误差耦合引起的复杂数学模型使得相关技术的应用非常困难。 据此本文从以下两方而米进行五轴机床运动误差辨识技术的研究： 首先，进行基于双球杆仪的运动误差辨识技术研究。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基于双球杆仪的五轴机床运动误差模型。 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。此方法主要是通过控制数控机床的运动，使机床的任意1 个旋转运动轴与2 个直线动轴构成三轴联动而另外2 个运动轴保持静止，据此设 计了6 种机床运动轨迹来测晕空间误差。在测鼍过程中采用双球杆仪来测景主轴 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。该力法大大简化了数学模型的计算和误差分离的整个过程。通过 仿真分析表明：此方法口j + 以非常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，是种非常有效而简便的五轴数控机床运动误差测量方法。 其次，进行基于斜置锥台的运动误差辨识与加工精度预测技术研究。提出一 种基于锥台曲面特征的五轴机床误差分离方法，并建市了锥台的五轴联动加工运 动误差模型。根据该模型进行了锥台侧曲的圆度误差仿真分析，从仿真结果可以 看出各个运动误差项刈锥台侧而网度的影响程度不同，角度误差一般比甲移误差 的影响程度人很多。同时钏对锥台侧面的加工精度进行五轴机床运动误差分离的 研究，利用非线性同归分析方法分别推导出基于锥台侧血圆度误差和基丁锥台侧 面母线斜角误芹的运动误差的最小j ：乘估计值。仿真分析结果表明本誓所提卅的 运动误差辨识方法精度较高，且机床运动误差越小误差辨识结果越准确。 本文t f t 所提出的两种针对“轴联动数控机床运动误差辨识技术其有较强的 实用性，各自仃不同的特点。町以根据实际情况选择合适的运动误差辨识方法， 推广。应川丁实际的五轴机床制造过程和且轴加j ：中以分析五轴机床加f ：误差的 主要误芹源，据此对7 1 轴机床加以改进或进行误差补偿从而提高机床的加工精 度。 关键词托轴数控机床；误差辨以；精度预测；双球卡l ：仪；斜置锥台 a b s t r a c t a b s t r a c t w i t l lt h ed e v e l o p m e n to ft e c h i l o l o g y ，t h er e q u i r e m e n to fm e c h a n i c a lp a n sw i t h c o m p l i c a t e ds h a p ea n dh i g hd i m e n s i o m lp r e c i s i o ni i l c r e a s e dd r a m a t i c a l l y i i lt h e m a n u f a c m r i n g f i v e a x i sn cm a c l l i n et o o l sh a v eb e e nu s e df o rt l l em a c l l i n i n go f m o l da n dm e c h a n i c a lp a r t sw i mc o m p l i c a t e ds h a p es u c ha sa e m s p a c ep a r t sa n d t u r b i n eb l a d e s c o m p a r i n gt ot l u e e - a x i sm a c l l i n et 0 0 1 s ，f i v e - a x i sm a c l l i l l et o o l sh a v e2 d e g r e eo f6 e e d o mm o r e s of i v e - a x i sm a c h i i l et o o l sc o u l dp r o v i d ec o o r d i n a t e sf o r m a c h i n e dw o r k p a r t sd i r e c t l yw h e nm a c h i n i n gs c u l p t u r e ds u r f a c e s ，a n do p t i m i z em e c u t t i n gp e r f o m a l l c eb yc h a n g i n gt h eo r i e n t a t i o no ft o o l s t h ei n c r e a s eo fc o m p l e x 时 o fm a c h i n et o o l s c o n 6 9 u r a t i o na l s ol e a d st ot h ed i m c u l t yo fe n h a n c e m e n to f m a c h i i l i l l gp r e c i s i o n ，b e c a u s en l ec o m p l e xm a t h e m a t i c a lm o d e ld u et os y n c l u o n o u s r n o t i o no f1 i n e a ra x e sa 1 1 dr o t a r ya x e s 砒l dc o u p l i n go fk i i l e m a t i ce r r o r si 1 1f i v e - a x i sn c m a c h i n et o o l sm a k e st h a tt h ea p p l i c a t i o no fr e l e v a n tt e c h n o l o g yb e c o m ev e 叮d i 艏c u l t b a s e do nt h i s t h er e s e a r c ho ni d e n t i f i c a t i o no ft h ek i n e m a t i ce n o ri nf i v e a x i sn c m a c h i i l et o o l sw a sc a r r i e do u ti nt w oa p p r o a c h e sa sf o l l o w si nt h i sp a p e r f i r s t l v t h er e s e a r c ho ni d e n t i f i c a t i o no fk i n e m a t i ce r r o ri nf i v e - a x i sn cm a c h i i l e t o o l sb a s e do nt e l e s c o p i n gd o u b l eb a l lb a “d b b ) w a sp r e s e n t e d t h et h e o r ya n dt h e a l g o t h mo fh o m o g e n e o u st r a n s f o 肿a t i o nm a t 订x ( h t m ) a r ea p p l i e di nd e v e l o p i n g t h ek i n e m a t i ce r r o rm o d e lo ff i v e a x i sn cm a c h i n i n gt o o l sw i t h 铆o - a x i st u m t a b i e ， a i l dan e wm e t h o df o rt h ek i n e m a t i ce 1 1 r o rs e p a m t i o ni nf i v e - a x i sn cm a c h i n i n gt o o l s i s p r o p o s e db a s e do nt h e m o d e l h lt h i s s t i l d y ，t h r e ek i n d so fs i m u l t a l l e o u s l y c o n n o l l e dm o t i o n so ft h r e ea x e sa r ed e s i g n e df o re a c hr o t a r ya x i st oi d e n t i f yt h e d e v i a t i o n s i nt h em e a s u r e m e n t ，t w ot r a n s l a t i o n a la x e sa n do n er o t a r ya x i sa r e s i i n u l t a n e o u s l yc o n t r o l l e dk e 印i n gm ed i s t a n c eb e t w e e nat o o la n daw o r k t a b l e c o n s t a n t t e l e s c o p i n gd o u b l eb a l lb a ri su s e dt om e a s u r et h er e l a t i v ed i s t a n c eb e 觚e e n t h es p i n d l ea 1 1 dt h ew o r k t a b l ei nt h em o t i o no ft h em a c h i n i i l gt 0 0 1 f i i l a l l y ，m e a s u r e d v a l u eo ft e l e s c o p i n gd o u b l eb a l lb a ri ss u b s t i t u t e di n t ot h em o d e lt oo b t a i nk i n e m a t i c e 啪ro ft h em a c h i n i n gt 0 0 1 t h es i m u l a t i o nr e s u l t sd e m o n s t r a t e dt h a tt h ep r o p o s e d m e t h o dg i v e sp r e c i s i o nr e s u l t sa n di sa b l et oa p p l yt ot h em e a s u r e m e n to f6 v e - a x i s n cm a c h i n i n 2t o o l se f f e c t i v e l ya n dc o n v e n i e n t l y s e c o n d l y ， n e wa p p r o a c h e so ni d e n t i 丘c a t i o no ft h ek i n e m a t i ce r r o r sa n d p r e d i c t i o no fm a c h i n i n gp r e c i s i o ni nf i v e a x i sn cm a c b i n et o o l sa r ep r e s e n t e db a s e d o nac o n ef - m s t u ma ss p e c i n e di nn a s 9 7 9s t a n d a r d k i n e m a t i ce r r o rm o d e lo ft h e m a c h i n et o o l si sd e v e l o d e dt o rt h ec o n ef m s t l l mb a s e do nt h eh t mm e t h o d b a s e do n t h ed e v e l o p e dm o d e l ，t h er o u n d n e s se n o ro ft h ec o n e 觚s n j mi ss i m u l a t e d ，a n dt h e m a c h i n i n ge r r o ro ft h ec o n ef m s t u mc a nb ep r e d i c t e db yt h i sw a y a c c o r d i n gt ot h e s i m u l a t i o nr e s u l t s ，i ti se a s i l vt of i n do u tt h a te a c hk i n e m a t i ce r r o rh a sad i f f 色r e n t i m d a c to nt h er o u n d n e s se r r o ro ft h ec o n ef m s t u m ，a n dt h er o t a t i o n a le r r o r sa f f e c tt h e a b s ，r r a ( 、t r o u n d n e s sm o r es e v e r e l yc o m p a n gt ot h et r a n s l a t i o n a le 兀or s f u r t h e rm o r e ，t h e r e s e a r c ho ni d e n t i f i c a t i o no ft h ek i n e m a t i ce n r o ro ff i v e a x i sn cm a c h i n et o o l sb a s e d o nt l l ec h a r i a c t e r i s t i co ft h es u r f a c eo ft h ec o n ef m s t i l mi sc 硎e do u t 。t h em e t h o do f n o n l i n e a rr e g r e s s i o na n a l y s i si su s e dt oo b t a i nt l l el e a s t s q u a r e se s t i m a t e so ft h e k i n e m a t i ce 门r sb a s e do nr o u n d n e s se 1 1 广o ra n dt h ea n g u i a re 1 1 的r so fg e n e r a t r i xa r o u n d m ec o n e 肌s t u mr e s p e c t i v e l y t h es i m u l a t i o nr e s u l t sd e m o n s t r a t e de f 话c t i v e n e s so f t h ep r o p o s e de r r o ri d e n t i f i c a t i o na l g o r i t l l i nf o rf i v e a x i sn cm a c h i n et o o l s t h et w oa p p r o a c h e so ni d e n t i n c a t i o no fk i n e m a t i ce 1 1 r o r sf o rf i v e a x i sn c m a c h i n et o o l sp r e s e n t e di nt h ep a p e rh a v eh i g hp r a c t i c a lv a l u e ，a n de a c hh a st h e i ro w n c h a r a c t e r i s t i c s a n ya p p r o a c h e sc a nb ec h o s e nt oi d e n t i 母t h ek i n e m a t i ce r r o r so f f i v e a x i sn cm a c h i i l et o o l si nm a n u f a c t i l r i n go ff i v e a x i sn cm a c h i n et o o l sa n d f i v e a x i sm a c h i n i l 玛f o rm ea n a l y s i so fm a i l le 1 1 r o rr e s o u r c e s 血f i v e a x i sm a c h “n g 咖r a n dt l l em a c l l i n i n gp r e c i s i o no ft h em a c h i n et o o l sc 锄b ee n h a l l c e dt l - o u g h m l p r 0 v i n gf i v e a x i sm a c l l i n et o o l so rc o m p e n s a t i n gf o re r r o r s k e yw o r d s f i v e a x i sn cm a c h i n et o o l s ；e n ? o ri d e n t i 6 c a t i o n ；p r e c i s i o np r e d i c t i o n ； d b b ：c o n ef m s t u m t v h 录 目录 摘要一i a b s t r a c t iii 第1 章绪论1 1 1 课题的背景及其研究意义1 1 1 1 研究背景l 1 1 2 研究意义l 1 2 国内外五轴机床误差研究进展与现状2 1 2 1 机床的误差源分析3 1 2 3 五轴机床误差研究现状4 1 3 机床误差研究的发展趋势一8 1 4 课题的来源及主要研究内容一9 1 4 1 课题的来源9 1 4 2 主要研究内容9 1 4 3 文章结构9 第2 章多轴机床通用误差建模ll 2 1 机床运动部件误差分析l l 2 2 机床误差通用模型的建立1 3 2 2 1 坐标系的建立一1 3 2 2 2 机床数控加工中理想刀具轨迹的生成一1 3 2 2 3 机床数控加工中实际刀具轨迹的生成1 4 2 3 误差建模实例分析1 7 2 4 本章小结2 1 第3 章基于双球杆仪的五轴机床运动误差辨识2 3 3 1 五轴机床的运动误差2 3 3 2 基于双球杆仪的运动误差模型的建立2 5 3 3 基于双球杆仪的血轴机床运动误差测试方案设计2 6 3 4 基于双球杆仪的血轴机床运动误差测试方案分析2 7 3 4 1 机床a 轴旋转c 轴固定2 7 3 4 2 机床c 轴旋转a 轴固定3 2 3 5 模型的求解( 运动误差的分离) 3 9 3 6 仿真验证模型的正确性4 l 3 7 本章小结4 3 第4 章基于锥台的五轴机床运动误差辨识4 5 4 1 标准切削试件设计4 5 4 2 基于锥台试件的血轴机床运动误差模型4 7 n 录 4 2 2 五轴机床运动误差建模4 9 4 3 基于运动误差模型的锥台加工精度预测仿真5 2 4 3 1t 件形貌仿真5 2 4 3 2 加工误差的计算5 4 4 3 3 单项运动误差对锥台加工精度的影响5 7 4 4 基于标准工件彤貌的五轴机床运动误差辨识分析6 l 4 4 1 基于锥台侧面圆度误差的运动误差的最小二乘估计6 l 4 4 2 基于锥台母线斜角误差的运动误差的最小二：乘估计7 7 4 5 本章小结8 2 结论8 3 参考文献8 5 攻读硕士学位期间发表的学术论文9 1 致谢9 3 第l 章绍论 第1 章绪论 1 1课题的背景及其研究意义 随着世界制造业的迅速发展，各困对数控机床的需求也急剧增加。而中同 早己成为世界机床消费大国，这使得我国的制造业在过去十几年的时间内得到 了空前的发展。由于机床是制造业必备的设备，制造业的发展同时也带动了我 国机床业的发展。数控机床性能的好坏直接决定了所生产山的产品质量的优劣 程度。因此数控机床的合理设计与使用直接维系着产品质量的高低，而衡量数 控机床在使用过程中所表现的性能优劣的重要指标就是数控机床的加工精度。 通过修正机床的准静态误差来提高零件的加工质量已经是机床工业中应用非常 普遍的方法。 1 1 1 研究背景 近年来，制造行业对具有复杂几何形状和高尺寸精度的机械零部件的需求 急剧增加，五轴数控加工中心已经被广泛应用于模具和具有复杂形状的机械零 部什的加工，例如航空部什和涡轮叶片等具有复杂几何特征的零部件。网此市 场对五轴机床的需求也逐年递增，五轴加工得到了更加广泛的关注。 与三轴机床相比，五轴机床多如了2 个旋转自由度，当机床在切削自由曲 面时它能为切削工件提供直接的坐标，并且可以通过改变刀具的方向来优化切 削性能。因此五轴加工能增加材料去除率，提高表面精度，有效减少切削时问。 然而，由于机床刚度较差五轴加i ：并彳、：适用于重型切削和高速加r = 。而且五轴 机床的加工精度通常并没有i 轴机床那么高。闪此，近年来提高加工精度已经 成为五轴机床研究的主要焦点之一，但是五轴机床巾的直线轴与旋转轴的联动 和由运动祸合引起的复杂数学模型使得相关技术的应用非常困难。 2 研究意义 五轴机床之所以备受制造行业的苛睐，主要足应为五轴机床与三轴机床相 比具有以卜儿个优点： ( 1 ) 减少零件加工时m ：在利用平头端铣川进彳j ：端铣加t 时，保持铣刀轴 线与复杂i l l j 面雁直，可以使铣刀的整个端面与零件毛坯接触参与切削过程，这 样n r 以显著减少刀具的加j ：时的运动轨迹。同样，在进行刀侧铣削时，可以使 刀的轴线力向与工件表血的复杂曲而保持切向水增加刀典与工件毛坯的接触 1 i f 私 ，从m 减少刀具完成加工仟务所需的运动轨迹。 ( 2 ) 更好的表山精肌l ：质毽：在= 轴机床上利用平头端铣刀加一l ：复杂曲断 时，u 以使铣刀轴线与表而保持乖直术避免i 轴机床t 利用球头铣刀加工时产 北门、l p 人予+ 工宁坝l j 学1 奇伦艾 生的表面条纹。 ( 3 ) 避免多次装夹：利_ h j 三轴机床加工具有复杂表面的零件时，通常需要 进行多次零件安装才能完成整个零件的加r 1 ：，而利用五轴机床加i ：时通常仅需 一次装夹。 ( 4 ) 降低火持工件所需的工具和灾具的赀用。 ( 5 ) 加工工件的复杂部分，这些部分包括复杂曲面上任意位置处法线方i 沁 一卜的一些孔，而在三轴机床卜，如果不改变工件的安装方向它们是无法加工的。 ( 6 ) 更高的利润。 然而五轴机床也存在一些不可忽视的缺陷，五轴机床是串联结构，其运动 副较多，运动链较长，这使得机床的整机刚度湿著降低。一方面，由于五轴机 床的刚度较低，所以不宜用于进行重型切削和高速加工。另一方面，由于整个 机床的运动链较长，影响刀具与工件之问相对位置误差的因素增加，这些影响 因素的叠加会使机床的加工精度显著降低。因此生产现有五轴机床的加工精度 普遍较低，而高精度五轴机床的成本非常高，价格相当昂贵。当今世界机床企 业中仅有少数几家能，l 产高精度瓦轴数控机床，这使得提高无轴机床的加工精 度成为机床企、i k 增长经济效益的主要途径。 提高五轴机床加一l ：精度的途径丰要有两种：一是对机床零部件进行精密设 计、精密加工、精确装配等，同时机床运动部件的定位控制精度等相关性能部 需要显著提高，这样才能使五轴机床的加工精度达剑精密加_ t 的要求；- 是对 已经制造出来五轴数控机床进i j ：误差分析，通过误差补偿或缺陷修止束提高机 床的加工精度。第：种方法足现代制造业中用j 二提高机床加工精度最为常用的 种方法，这主要是由于它的成本低廉，能通过较低的化费换取较高的经济效 益。 零件的加工成本随着对零件精度要求的严格程度急剧增加【1 1 ，这是对机床 误差进行深入研究的基本原因。例如，似女l | 个典型的计算机数控加：l ：中心的 精度从4 0 “m 提高到2 0 “m ，那么更加粘确的驱动装置的花费、机床构件的装配 花赀利控制器的性能升级花赀等将会是两倍以上。很明显，通过对设计和组装 后的机床进行误差补偿来提高精度是一种：1 y 省花费的有效方法。 蚓时，高精度的五轴机床的精度寿命足有限的，随肴机床使用时问的增j f l 整个机床的精度会逐渐降低。当机床的精度降低而达不剑加工精度耍求以后， 如果直接换用新的机床会造成很大的浪费。这时对机床进行精度分析、测试和 补偿就成为一种有效方法。这不仪i - j 以避免造成浪赞疆菩延长机床的使用瘩命， 还可以分析出机床缺陷部位从而为机_ 睬的设汁、制造碲l 改进提供技术参考。 1 2国内外五轴机床误差研究进展与现状 在过去几十年问，人们埘各种数控机床的误差进ij ：了较为深入的研究。由 第l 覃绪论 于五轴机床出现得比较晚，且五轴机床的! l 产对各项技术的要求都比较高，所 以人们对五轴机床误差的研究还不够充分，但前人的研究还是有许多值得借鉴 的地方。由于机床的加工误差主要是由各种误差源引起的，因此有必要首先介 绍机床误芹源。 1 2 1 机床的误差源分析 一般情况下，数控机床由床身、立柱、导轨和各种直线运动或旋转运动部 件所组成，每一个组成部分都有可能影响到整个机床系统的综合误差。数控机 床的误簋源主要包括以下几个方面f 2 】： ( 1 ) 机床结构部件的几何误差； ( 2 ) 运动误差； ( 3 ) 热变形引起的误差； ( 4 ) 切削负载引起的误差，主要包括：重力、运动部件的加速度和自身的 切削运动等； ( 5 ) 材料的不稳定性； ( 6 ) 机床装配不精确引起的误差； ( 7 ) 测试仪器的误差； ( 8 ) 刀具磨损； ( 9 ) 加t 前j r 件安装f i 精确产生的误差； ( 1 0 ) 其它误差，如伺服系统误差，数控插补算法误差等。 机床的误差可以分为两1 人类：准静态误差和动念误差【3 1 。准静态误差是指 刀具与工件的相对位置随时间缓慢变化并且直接与机床自身的结构形态相关的 误差【4 1 。这种误差主要包含：( 1 ) 机床结构部件的制造与装配缺陷引起的几何 误差，这类误差会受到平面度、表面粗糙度和轴承预载荷等因素的影响；( 2 ) 机床结构热变形引起的误差，可以将其定义为随时问变化的几何误差：( 3 ) 联 动误差，指在机床进行多轴联动工作时多个运动轴为了与精确的函数条件相一 致的相对运动误差。动态误差丰要是m 刀具受力变形、机床结构振动、i ：件受 力变形和控制器的跟踪误差等引起的误差。动态误差可以通过动态分析( 或模 态分析) 来进行研究，影响机床动态想能的丰要是机床的动刚度，这也是评价 一个机床优劣的重要冈素。 由- 】：产品的最终误差的7 0 以卜都被认为足由准静态误芹造成的【5 l ，所以许 多研究部曾致力丁二从机床的设计制造和误差补偿两个方面来减少机床的准静态 误差。一般来况，通过误差补偿方法来进行误差校正被认为足一种提高机床精 度的有效方式，这足由。j 二通过提高机床的设计制造精度的方式来提高机床加工 精度是非常昂贵的 6 】。 3 北京t 、i k 人学丁学硕l 学仲沦史 1 2 3 五轴机床误差研究现状 由于五轴机床在自由曲面加工中表现出的优越性能，在最近十几年的时问 里五轴机床误差分析研究受到世界各国学者越来越密切的关注，很多学者对五 轴机床误差分析做了较为深入的研究。五轴机床误差分析研究是在三轴机床误 差研究的基础上发展起来的，三轴机床的误差研究主要包括：误差建模【7 13 1 、 误差测量【1 4 - 3 2 埽l 误差补偿防q 7 1 ，由于篇幅有限这早不再赘述。下面回顾一下五 轴机床误差分析方面的研究： 1 9 9 5 年s r i v a s t a v a 等删曾指m 机床工作空问内的总体空间误差是山几何误差 与热误差的传递造成的。据此提出一种紧凑型空问误差模型，该模型可以作为实 际误差补偿方案的依据。建立的模型表明旋转误差与平移误差是相互独立的，然 而刀尖点的误差是由平移误差和旋转误差共同决定的。仿真研究表明，针对x 、 y 、z 方向的平移误差实行数控误差补偿是可以实现的，然而针对偏斜、滚转、 俯仰误差实行数控误差补偿的可行性取决于旋转轴在机床上的位置。v e l d h u i s a 和e l b e s t a w i a 于j 年提出一种五轴加t 误差补偿策略，利j 1 j 一种神经元网络模 型补偿山温度变化刷机床轴的运动造成的误差，山磨损造成的长剧期误差则使用 一种臼适应方法来描述。摹j ：神经7 c 网络权重分析的方法被用j ：选择最相关的热 电偶输入。初步结果表月这种策略能将z 方向的误差保持在o 0 2 0 m m 以内以及e x 力向的误差保持在0 0 0 2 。以内。 1 9 9 7 年l e e 和s h e 提出一种将三类工轴机床的夕j 位( c l ) 数据转换为机床 控制数据的万法，以建立汁算机辅助制造( c a m ) 系统与数控机床之间的接口。 利用相似坐标转换矩阵与逆向运动学方法来获得n c 数据分析方程，通过在元轴 机床上进行的轨迹切削来执行所建立的后处理厅法，并在坐标测量机上加以验 证。实验结果证实所提出的后处理力法的有效性，这种方法能够用于制造系统中 所用的多种五轴机床。m a h b u b u r 等】认为机床的复杂结构会在刀尖点产生误差， 这种误差是m 制造误差、装配误差或准静态误差引起的运动学参数误差造成的。 轴机床对取决丁j 具长度和枢轴距离长度的角度误差非常敏感，利用适当的叠 代法根据刀具位置数据( c l d a t a ) 计算 i 新的机床轴值，将刀尖点定位到所需 要的位置和方向足可以实现的。这种方法用于后处邪中可以实现在机床上执行在 线运动学计算。 1 9 9 2 年s u h 等1 5 2j 给出校准旋转i ：作台的伞部过科，包括几何误差建模、针 对c n c 控制器的误差补偿方法、误差测量方法以及利用实验装胃对误芹模型与 补偿办法的验证。通过多次试验验证所设计的疗法，试验结果表明该方法i l j 确 有效，因此该方法能用于多轴机床一l ：以刈旋转l ：作俞进行校准并提高精度。 1 9 9 9 年l o p3 j 提出一种针对五轴加工的刀具路径实时生成和控制的新方法。 所提的刀具路径牛成法包括刀具接触路径捅补实时算法、刀具偏置以及 托标 4 一 销l 鼋缁论 转换。此外，通过c n c 插补器闭合全局反馈回路来提高在实际刀具路径生成中 的控制精度。还分别建立一种误差补偿算法和一种进给速度自适应算法。 2 0 0 1 年f l o l l i s s e n 等1 5 4 l 提出种基于空问三维长度测量的多轴机床几何误差 估计方法，并建立一种通用机床误差模型。由于长度测量能够以相对简单的方 式在很短的时问内实现高精度测量，因此选择长度测量来进行多轴机床( 摆头 转台式五轴机床) 定位误差的测量。为了获得与传统测量技术( 如激光干涉仪) 测得的几何误差的比较结果，测量装置的设计以及机床误差模型( 包含参数耦 合效应) 的公式显得尤为重要。 2 0 0 2 年a b b a s z a d e h m i r 等【5 5 】提出一种系统学方法来辨识五轴机床的部分误 差。采片j 一种基于线性系统奇异性数学分析的方法来帮助选取最少但足够的机 床校准链误差参数设置，并用一些测量标准来验证所辨识的参数对预测实际机 床定位误差的准确性，最后通过仿真米证明这种方法的数值精度( 效果) 。 b o h e z 【5 6 】于同年提出一种基于闭环空间误差方程的系统误差补偿通用方法。详 细分析了利用目前的c a d c a m 和c n c 软件牛成五轴刀具轨迹引起的误差， 并提出种新的系统误差测量与补偿策略。 2 0 0 3 年“n 和s h e n 认为利用相似世标变换矩阵( h t m ) 的传统建模方法 依赖于矩阵乘积的大量符号运算。提出一种新的矩阵求和法来建立五轴机床几 何误差模型。这种方法将运动学方程分解成6 个部分，每个部分都具有清晰的 物理意义。该方法充分减少了计算过程，并使五轴运动学模型变得易于处理和 理解。 2 0 0 4 年m a s a o m i 和a k i n o 打f 5 8 j 针对双轴转台五轴联动加工中心提出一种基 于同步4 轴控制技术的误差校准方法。为了确定所提出方法的有效性，进行仿 真分析。首先通过利用2 个测量轨迹和6 个参考轨迹获得观测方程的方式水估 计8 项误差中的4 项，然后根据观测方程估计出的误差值由几何关系计算出剩 余的4 项误差。w 翻k e i t 和k n a p p 【5 9 】设计出。种新的测量仪器，该仪器能够在连 续的圆轨迹或球而轨迹上刖步测量x 、y 、z 方向的偏差，这些偏筹被用于校准 参数误差，如同程误差、定位误差、垂直度、平行度等。同时提出j 测量的不确 定预算，并给出热效应的影响。给出在五轴机床和并联运动机床上的测量结果， 并加以详细讨论。t u m n e a f a t a n 和f e n g 【6 0 l 认为无论分析哪种形式的五轴机床， 为了确定实现刀具与工件之问相对位置和方向所需的直线轴与旋转轴的运动， 必须建立机床的运动学模型。作者建立一种通用统一的模型以替代只能用于单 个机床结构的特别解决方案，i ：模型用丁验证三种主要结构犁式五轴机床运动 链中的两个旋转轴的可行性，包括摆角头式、转台式和摆头转台式。 2 0 0 6 年z a r g a r b a s h i 和m a v e 一刚l 提出。种以双球杆仪为测量仪器的测量力 法，用于估计a 轴旋转工作台的运动误差。所提i l i 的方法由5 组单个安装的双 球朴仪测试构成，在执行旋转轴运动的过程中完成所有的测试和数据获取。所 北巧i 工、l p 入学 ：宁倾j j 宁f 、l ，论文 提出的方法被用于辨识v l 3 0m i t s u i s e i l ( i 立式机床( 轴) 的旋转轴运动误差。 结果表明所提出的方法有效h 使月j 方便花费时间较短。d e l b r e s s i l l e 等【6 2 】提出一 种由热效应引起的五轴机床定位误差的测量与建模方法。首先从f 0 感器的有限 读数中计算出机床的温度分布，再利用所计算出的温度分布和基于机床结构回 路与刚体运动学的形变模型计算出刀具的定位误差。为了证实所建市的热效应 模型，使用一种基于3 维长度测量的新测量方法进行测量。b r i n g m a 衄和k n a p p 【6 3 】 给卅一种基丁二模型的五轴加工中心校准步骤，并研制沌一种空间误差探测系统， 该系统可以在五轴测晕循环中同步测量x 、y 、z 方向的空间误差。通过误差的 数值再生米辨识机床的确切运动形态，使生成的误差与测得误差最接近。一种 机器人学中常用的方法被用于评估误差辨识数学模型的稳定性。一种新的利用 整机误差模型的通用蒙特卡罗( m o n t ec a r l o ) 方法被用于确定经校准后的机床 的期望总体几何性能。d a s s a n a ”k e 等畔l 探讨了标准i s o1 0 7 9 l 中所规定的检测 方法的有效性，并提出一种附加方法来辨识带有万能主轴头的五轴加工中心的 几何误差。由丁二标准中所规定的方法并不能充分评价各个几何误差的影响，因 此需要附j j 测幂来有效使用这种检测方法。基于附加测量的结果只能推测出这 些误差r | ，的一部分，所以通过分析机床的链路几何结构来设计山辨识这砦几何 误篷中的剩余误差项的方法。c h e n 等【6 5 j 利用双球杆仪估计五轴加下中心的运动 误筹。从敏感的观点来看，每个运动误芹可能有一个特定的敏感方向，在这个 方向上x 义球杆仪误差轨迹的偏差仅仪f n 一些特定的误差源造成。根据宅问儿何 理论建立了双球杆仪的误差轨迹模型，通过作为旋转误差估讣的参照的数字模 拟弄清了各个误芹源的敏感方向。实验数据表明，针对五轴加工中心所提m 的 误差估计方法简单有效。 2 0 0 7 年u d d i n 等1 6 6 】预测和估计了具有运动误差的五轴机床的加工精度。通 过利h j 运动误差模型对标准倾斜锥台( n a s 9 7 9 ) 的加工误差进行了仿真。存五 轴机床上进行的切削实验验证了对五轴机床加l ：精度预测的有效性。对刀具位 置与方向的误差补偿实验表明，加1 二表而阗度误差减小，加工精度有了显著提 高。b o h e z 等1 67 】提出一种分别辨识与补偿所有系统角度误差的新方法，然后利 用辨识出的系统角度误差进一步辨识系统，f 移误差。模型旨先从原理上解释了 为什么某一些误筹部分刈。一阶模型没有影响。总的角度系统误差可以独立地从 平移误差巾分离出来，然而总的j f 移误差同时取决于角度误差和机床各溜板的 、f 移误差。提出种基于j 二件的误差辨识方法，通过在- 件上钻许多彳i 同位置 和方向的孔来实现该误芹辨识法。 2 0 0 8 年l a m i l ( i z 等通过利用d e n a v i t 刷h a n e n b e 瞍提出的著名公式建立 种血轴加工中心儿似精度估计方法。在提出的力法中，引进装配误差作为部件 传递矩阵的附加几何参数，因此形成五轴加t 机床的实际( 非理想) 传递矩阵， 这种矩阵定义了刀具在绝对参照系中的实际位置。分别描述了双轴摆角头式、 第1 平。绢论 双轴旋转工作台式和摆头转台式3 种= f i 轴机床的各个基本误差，并给出将其引 入d e n a v i t 和h a n e n b e r g 矩阵的方法。最后，介绍了所提i l ：的方法在提高多轴 钻孔加工精度中的实际应用。 2 0 0 9 年s e n c e r 和a l t i n t a s 【6 9 】【7 0 】针对五轴机床进行轮廓加工误差建模与鲁棒 控制。定义了两种类型的轮廓加工误差，即刀尖点相对于刀具路径的法向误差 以及刀具轴l 幻相对于定义于球面坐标系中的参考方l 旬轨迹的法向误差。建立包 括直线和旋转运动的五轴联动中的总体轮廓加工误差模型。考虑了所有5 个驱 动的耦合运动形态和刚体动力学。然后将建立的误差模型片j 于仿真分析和所有 5 个驱动的实时鲁棒控制。提出一种新的控制方法水减小五轴加工刀具路径上 刀尖点位置误差和刀具方向误差。设计一种多输入多输出滑移运动模型控制器 来减小轨迹跟踪速度误差。系统的稳定性得剑了保证，而且所提出的模型在五 轴机床上得到了试验验证，源于五轴联动驱动动力学特性的刀具路径误差得到 显著减小。z a r g a r b a s h i 和m a y e 一7 1 】设计一种新的探测头用电容传感器采集同步 五轴运动中的空间数据。由于