（机械设计及理论专业论文）五轴联动旋风铣削机床切削运动仿真及误差补偿研究.pdf

中南大学硕士学位论文摘要 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。 关键词旋风铣削，精密加工，五轴旋床，虚拟制造，误差补偿 中南大学硕士学位论文a b s t r a c t a b s t r a c t v a r i o u sc o m p l i c a t e dp a r t sb o d yf r o md i f f e r e n tm a t e r i c a lc a nh i g h e f f i c i e n c y ，i n e x p e n s i v ea n dc l e a n l i n e s sb ep r o c e s s e db yw h i r l i n g t oc a r r y o u ti tu s i n gi nf i n i s hm a c h i n i n gi nc h i n a ，m a n yc l o s e l y - r e l a t e dt e c h n i q u e p r o b l e mw i t hh i g h - s p e e dw h i r l i n gn e e dt ob er e s o l v e e d t h i st h e s i sc a r r ya s t u d ym o v e sr e s e a r c ha n dd e v e l o p m e n t ，s y n t h e s i se r r o rd e r i v em o d e la n d c o m p e n s a t i o no f 5 - a x i sw h i r l i n gm a c h i n e t 0 0 1 f i r s ti tp u s hk n o wt h eh i g hs p e e di se x t r e m e l yh i g ht ob ez h er e s e a r - c hd e v e l o p m e n td i r e c t i o nt h a ti tu s e d sf o rn i c e t yt op r o c e s ss o o nb ya n a l y s i st h er e l a t i o nb e t w e e nm a i ne r r o ra n ds p e e da b o u tw h i r l i n g d r e wu pi t si n n o v a t i v ed e s i g np r o je c tt h r o u g ha p p l yv i r t u a lm a n u f a - c t u r i n g 3 dv i r t u a l d i g i t a lm a c h i n et o o lp r o t o t y p ei se s t a b l i s i e d a c c o r d i n g t ot h es e q u e n c eo fe x a m i n i n gm a c h i n ep r i n c i p l e ，m e c h a n i s m sa n ds t r u c t t i r ed e s i g na n dd y n a m i cb e h a v i o r s ，at r u et e c h n i q u ee x a m i n a t i o na n dm o d i f yu n d e rh i g h - s p e e dc o n d i t i o no ft h e5 - - a x i sw h i r l i n gm a c h i n et o o ls t r - u c t u r ed e s i g nb yu s a g et h es i m u l a t i o n a n a l y s i s k n o w i n gt h et o o lm a c h i n ef u n c t i o na n dt h ed e s i g nq u a l i t yc a ns a t i s f yw h i r l i n gar e q u e s t ，v e r i f y i n g t h ep o s s i b i l i t yo ft h ep r o j e c t t h et o o l ，t h et o o ld i s ha n di t sc o n j u n c t i o n p a y t oa c c e p ta p i e c eo n t o o l m a c h i n e ”s p o r tc h a i nm o s tb i a e re n d ，i t s m a n u f a c t u r i n gq u a l i t yc a np r o c e s st h ea c c u r a c y i n f l u e n c eb i g g e s t t h e f i n i s hm a c h i n i n gt op a r et h et o o lt oh a v em a n y t a r g e t w i t ht h ew h i r l i n g w h o l ea n de x c e l l e n tt u r nt h es t y - l ei ss t u d i e d a d o p t i n gp r o et oc a r r y o nt h ev i r t u a ld e s i g na n da s s e m b ef o rt h er a z o rb l a d e ，t h et o o l p o l ea n d t h ed i s h u s e dp r o n 匝c h a n l c at oc a r r yo naf i n t ee l e m e n t sa n a l y s i s o fs t r u c t u r e g e te a c hd e s i g np a r a m e t e rt ot h ed y n a m i cs t a t ei n f l u e n c e t h a tt h et o o lh a v eb yt h em o l da p p e a r a n c ea n dt h em o l da p p e a r a n c e ，f i n d o u tt h ew e a kl i n ko fe a c hs p a r ep a r t s ，h a v ef o rt h et o o l ，t h et o o ld i s ha n d c o n j u n c t i o np a yt h es t r u c t u r ed e s i g np r o j e c t v e r i f i c a t i o no fa c c e p tt h e p i e c ea n dr e l a - t i v e l yp r o v i d e dt h ed e pe n d a b l et h e o r i e st h eb a s i s i no r d e rt or a i s et h e5 - a x i sn c w h i r l i n gm a c h i n et o o l s m o v et h e p r o c e s sa c c u r a c y ，t h er e a l i z a t i o n e v o l u t i o n p r o c e s s ，h a v et os t u d yt h e c o m p r e h e n s i v ee r r o rm a r g i nr e p a i ro ft h et o o lm a c h i n e t h ev o l u m e t r i c p o s i t i o ne r r o rb e t w e e nt o o la n dw o r k p i e c ec a u s e db yg e o m e t r i c a le r r o r a n dt h e r m a le r r o r e x i s t i n g i nt h em a c h i n et o o l s c o m p o n e n t s i s 中南大学硕士学位论文a b s t r a c t r e s e a r c h e d ，ag e n e r a l ls y n t h e t i c e r r o rm o d e lf o r5 - a x i sn cw h i r l i n g m a c h i n et o o li sd e r i v e db ym e a n so fr o b o tk i n e m a t i c s a n a l y z e dt h e r e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h ee r r o ra n di t sc o m p e n s a t i o no fa5 a x i sn c w h i r l i n gm a c h i n et o o lw i t ht h r e et r a n s l m i o n a la n dt w or o t a t i o n a la x e si n d e t a i l ，b a s e do nd i f f e r e n t i a lt r a n s f o r m a t i o no ft h er o b o tk i n e m a t i c s ，t h e v o l u m e t r i ce r r o rc o m p e n s m i o nm o d e li sc r e a t e db yd e c o u p l i n gt h ee r r o r c o m p e n s m i o nm o t i o n s ，a n dt h ep o s i t i o na n do r i e n t a t i o nc o m p e n s a t i o n v a l u e so ft h eio i n tv a r i a b l e sc a nb eo b t a i n e df i n a l l yw i t ht h em o d e l a g a i n f u r t h e ro f f e r i n gat h e s i sb a s ef o rt h eh i 曲p r e c i s ep r o c e s s i n go ft h r e a do n a5 a x i sw h i r l i n gm a c h i n et 0 0 1 k e yw o r d sw h i r l i n g ，h i 曲p r e c i s ep r o c e s s i n g ，5 - a x i sw h i r l i n g m a c h i n et o o l ，v i r t u a lm a n u f a c t u r i n g ，e r r o ra n dc o m p e n s a t i o n i i i 原创性声明 本人声明，所呈交的学位论文是本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，除了论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 包含为获得中南大学或其他单位的学位或证书而使用过的材料。与我 共同工作的同志对本研究所作的贡献均已在论文中作了明确的说明。 作者签名：主遁 日期：立丑年月! 日 关于学位论文使用授权说明 本人了解中南大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校 有权保留学位论文，允许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位 论文的全部或部分内容，可以采用复印、缩印或其它手段保存学位论 文；学校可根据国家或湖南省有关部门规定送交学位论文。 厂_ 作者签名：j 丛 导师 中南大学硕士学位论文 第一章绪论 第一章绪论 1 1 课题来源及研究意义 1 1 1 课题来源 本文的课题背景是湖南省自然科学基金项目“旋风铣削用于精加工的关键技 术研究 ，( 项目编号：0 5 j j 4 0 0 6 7 ) ，湖南省教育厅项目( 0 5 c 5 7 3 ) 。 1 1 2 本课题研究的意义 螺纹零件应用非常广泛，很难找出不使用它的机械装备与产品。螺纹制品的 设计和制造在过去半个世纪里改变很少，传统工艺往往经过多道甚至几十道工序 才能达到加工要求，生产效率相当低。因其产量和消耗在机械加工中占据相当大 的比重，加工工艺的落后不仅造成人才物的巨大消耗和浪费，其大量切削废液的 排放加剧了环境恶化，更重要的是严重制约了制造业及相关行业的整体技术进步 和发展，世界各国一直在努力寻找其更高效快捷少污的制造方法。旋风铣削法即 是已经找到的方法之一。 用高速铣削刀盘加工螺纹的旋风铣削法( 国内译为w h i r l w i n d m i l l i n g ，c y c l o n em i l l i n g ；工具书上称t h r e a dc u t t i n gw i t hr o t a r yc u t t e r ： 国外为合成词w h i r l i n g ) 近年又被陆续应用于从特大型到微型，从普通到高硬、 韧、软、脆材料的特殊三维曲面、球面、孔系( 甚至普通形状零件) 等各种复杂 轴类形体、回转体零件及其它制品加工，与加工螺纹一样，都是一次走刀完成全 部深度加工，能减少工序6 0 以上，生产效率是普通铣、磨方法的4 5 倍，车 削加工的8 倍以上，表面粗糙度值低，在批量生产中优越性更是明显。该方法除 能实现重载切削、超高速切肖l i 、难加工材料切削外，更可贵的是它为不用冷却液 的干切削，且其切屑为易于处理的微细碎片，属于二十一世纪重点发展的绿色制 造。由于能高效加工如钛等高因高硬材料及减少超过加工过程4 倍以上的切削液 制造、使用、处理和清洗费用，在医学及航空航天设备生产中受到高度重视与应 用，其应用范围与领域目前仍在不断拓展之中。在人类对生存环境与健康安全日 益关注，制造业正迅速朝向高速、超高速干切削发展的今天，对于正逐渐成为世 界制造大国甚至中心的中国，对这一技术进行深层次研究，解决其关键技术问题， 拥有自主知识产权，成功实现此技术在国内应用于精密加工，具有巨大的经济价 值与重要意义【l 删：( 1 ) 应用于普通螺纹零件、特殊曲面、球面、复杂轴类，回 中南大学硕士学位论文第一章绪论 转体零件及简单型面零件加工；应用于医学及航空航天等微型、大型高硬高强难 加工材料加工；应用于特大工程中的特大型关键件加工；可大幅度提高加工效率， 降低成本，节约能源，减少环境污染，创造巨大的经济和社会效益。( 2 ) 提高 相关产品与设备的竞争实力，其幅射连锁作用将惠及整个工业生产与国民经济， 产生巨大的经济和社会效益。( 3 ) 解决这一关键技术问题的大量理论研究和部分 实践可以为我国机械制造业特别是有必要迅速发展的超高速、重载、干切削技术 提供经验与参考，有助于设备国产化技术水平和质量的整体提升与进步。 以高速超高速旋风铣削加工技术为研究对象，开展其应用于精密加工的研 究，该项目系统完整的研究工作尚未见报道，项目的研究内容还没有拥有自主知 识产权的相关理论和技术成果，是一项创新性的工作；同时项目的研究内容也是 相应企业甚至我国整个制造业亟待突破的关键问题，有着明确的工程背景和广泛 的应用前景。要在我国实现旋风铣削技术的精密加工应用，需要解决与高速旋风 铣削密切相关的诸多技术问题，五轴联动旋风铣床的设计、制造及其综合误差补 偿即是其中的关键技术问题之一。 1 2 旋风铣削技术国内外研究与应用现状 1 2 1 旋风铣削工作原理 旋风铣削加工表面是刀齿旋转形成的回转表面在不同连续位置的包络面，它 一次走刀可完成全部深度加工。加工是包括五个自由度( 三个轴向、二个旋转) 的复杂复合运动过程，加工过程包括工件的旋转运动，工件的螺旋轴向进给运动 ( t g 可刀具进给) ，铣刀盘螺旋升角偏转调整及高度与偏心量调整。它是一种带 冲击性的断续切削，切削力引起工艺系统较大的振动。加工螺纹时，刀刃旋转轴 线偏离工件旋转轴线一个偏心量，旋风铣头应斜置一个相当于螺旋升角的角度。 刀具在切削过程中将切去理想轨迹的一部分，产生称为过切( 凹切) 的螺纹形状 误差，这一原理误差不可避免。还可能形成局部干涉，加之细长杆件易于变形， 大量切削热又使螺距产生较大累积误差，故其加工精度在普通设备与一定转速 围内不高，只能用于粗加工和半精加工。 旋风铣削按其工件与刀具相对位置分为内旋风铣和外旋风铣两种。内旋风铣 削加工螺纹的原理如图1 - 1 所示，加工运动有：刀盘的高速旋转运动r ；工件的进 给旋转运动c ；刀盘相对工件的轴向进给运动w ；刀盘相对工件的径向切深运动x 。 调整参数有刀盘轴线同工件轴线的夹角b 、偏心量h 。在旋风铣削过程中，每齿 的切削厚度都是由小变大，再由大变小。切出时切削厚度由大变小，切削最终表 面时切肖i 厚度很小，所以加工表面质量比普通铣削质量高。切入时切削厚度由小 2 中南大学硕士学位论文第一章绪论 变大，因此这种铣削可实现重力切削n 们。 外旋风铣削运动原理及旋风铣削图如图1 - 2 所示，加工原理和外旋风铣相同。 根据刀头在刀盘中的安装方式，内切试旋风铣削刀盘分为径向刀盘及切向刀 盘两类。如图1 3 所示。 + z： 王件 ， + z 图1 - 1内旋风铣削运动原理以及旋风铣削图 图1 - 2 外旋风铣削运动原理以及旋风铣削图 1 工件2 铣刀3 旋风刀盘 ( a ) 径向刀盘( b ) 切向刀盘 图1 - 3 内切削旋风铣削刀盘 3 中南大学硕士学位论文第一章绪论 1 2 2 国内旋风铣削技术的应用与研究现状 国内目前对于旋风铣削的应用与研究基本停留在半精加工水平。 东方汽轮厂申请了一项专利技术，借助于刀具结构几何参数上的调整，即 螺旋升角与刀具夹角在螺纹切削过程中的相互关系，来补偿形状误差，实现切削 后螺纹牙形几何形状的准确性。依托此技术制造的旋风铣床可应用于较大型内螺 纹加工，表面粗糙度值在r 3 2 1 6 i l l ，但综合精度不稳定，且必须先加工好螺 纹底孔才能定位，工效不高，底孔精度直接制约和影响加工精度。山西闻喜县风源 机械厂生产普通旋风铣削头。济南第三机床有限公司采用多齿刀盘旋风铣削加工 各种螺纹，加工精度和刀具耐用度都有较大提高。多齿刀盘结构及齿等创新处申 请了专利。机组同一铣头既能加工内螺纹，又能加工外螺纹，成套技术含量高。 加工梯形丝杠和蜗杆分别可达8 级与7 级精度。近年开发的s x d 系列数控旋风铣 削机组适于特殊螺纹、蜗杆、转子的加工。江汉石油学院正尝试在三轴数控铣床 基础上改制五轴联动旋风铣床用于螺杆钻具转定子加工n 羽。 国内理论研究对此问题关注也不多，十年间共有3 0 多篇文章发表，大多数 为一篇单发及一般应用简介，缺乏系统完整理论体系构建与研究。其中原江汉石 油学院易先中教授就五轴数控旋风加工的刀迹规划作了初步研究【1 2 】；莱州市机 械厂李春瑜初步分析了旋风铣削螺纹的径向误差f 1 3 】；张颂初步研究了过切问题 【1 4 1 ；本人共发表此方向论文1 5 篇，其中前期系列文章从其加工运动的矢量建模、 加工质量分析、螺纹与滚花一次完成的工艺设计、普通到数控旋风铣床的设计等 方面开始了较系统完整理论体系阐述与构建探索【l ”到。在文章中，推导出了旋法 加工表面粗糙度、切削力引起的工件变形、工艺系统振动、工件热变引起的螺距 累积误差、简谐激振力对加工质量的影响、提速对加工质量影响的计算公式；确 定了铣刀数、偏心量、刀刃旋转半径、工件半径，尤其是刀刃与工件转速比对加 工质量影响的准确关系。但上述研究大多都以普通铣速、半精加工为基础，且较 肤浅，远不足以支持旋风法的精密加工应用。近来本人开始了其应用于精密加工 的理论体系构建探讨，已研究了不同速度时工件变形与振动误差比较【2 3 1 ；精加 工旋风刀具的优化造型【l l 】；五轴联动旋风机床综合误差实时插补；高速旋风头的 动力学【2 4 j ；螺旋面包络线及其位置偏差的影响等问题【2 5 1 。 1 2 3 国外旋风铣削技术的应用与研究现状 国外有德、美、英等国已将此技术成功应用于精密加工，其中德国居先口 7 9 1 。 德产数控旋风铣床其旋风头转速达4 0 0 0 0 - - 6 0 0 0 0 r p m ，最小可精确加工m o 6 外 螺纹，直径i e m m 以上内螺纹及3 m m 以上管孔，表面粗糙度值可达r o 4 m m ，但综合 4 中南大学硕士学位论文 第一章绪论 精度未见报道。其同步开发的热感应处理技术可以在轴类螺纹件本体及支承部分 保持软质情况下实现螺旋表面的耐磨硬化，取消了磨削，也不需要校直。并在研 究意义部分介绍的各个围与领域取得不断成功与进步。 国外理论研究可能处于知识产权保护报道很少，仅有：( 1 ) 日本y o s h i d a 等对旋风铣削时的干涉问题进行了论述，现在这一问题已可以由数控加工前处理 系统成功解决啪1 ；( 2 ) 前东德的b a e r 提出了旋风铣削螺旋包络面的c a d c a m 设 计方法口刀；( 3 ) 德国的g e r tb a r 进行了包括旋风加工在内的螺旋面包络线曲率 的计算方法及数学模型的推导啪1 。这些少量的基础理论都未涉及关键技术。因此， 要使此项技术实现在国内成功应用于精密加工，大部分工作要从零开始，也不能 不拥有自主知识产权。 1 2 4 国内研究现状与近期可行性研究方案分析 1 旋风铣削用于精密加工需要解决的主要问题 随制造业的快速发展，只有旋风铣削的精加工应用研究才有实际价值。本文 作者根据多年实践经验，结合国内外此技术目前应用现状，及自己已有研究成果， 得出结论：要使旋风铣削加工综合精度达精加工水平，并向超精密方向发展，需要 解决的问题主要有：( 1 ) 过切形状误差控制在允许值内；( 2 ) 工件尤其是细长工 件的变形与振动误差；( 3 ) 螺距累积误差；( 4 ) 高速旋铣刀具：( 5 ) 高速旋风头 主轴单元的优化设计与制造技术；( 6 ) 五轴联动旋风铣床的设计、制造，其综合 误差补偿技术，加工在线检测与控制技术。而高速、超高速加工不仅可以保持还 能更好地提高旋风铣削效率，更能简化上述部分问题的解决。因为在超高速前提 下，由于每齿进给量微小，工件振动和切削变形显著减少，借助合理工装易于解 决；同时切削热大量被切屑带走，螺距累积误差也显著减少，接近位置精度要求 嘲。以上推导均与国外已较成功应用的实际情况相符。 2 系统基础理论缺乏影响关键技术问题的解决 五轴数控铣削具有成形旋风铣削自由曲面所需的完全自由度数目 3 0 , 3 1 利于 实现切削工艺参数的优选和匹配，可以提高制造精度和效率，符合旋风技术研究、 应用发展方向，但针对旋风加工的切削工艺参数优选和匹配，如果没有相关基础 理论支持，也就无从谈起。 旋风铣削是一个综合系统，系统内的每一个变量( 子系统) 都会以不同程度 影响最后的加工质量。要将它用以精密加工甚至超精密加工不考虑或单考虑一、 二个或部分变量影响显然不行。影响加工质量的变量( 子系统) 有：( 1 ) 切削用 量：包括工件及刀具( 旋风头主轴转速) 各自转速及两者转速比；其余三个移动 自由度的速度：每齿切深；( 2 ) 刀具：刀具材料及制造技术，磨损、热交、自身 5 中南大学硕士学位论文第一章绪论 几何角度，支配驱动刀具的旋风头主轴；( 3 ) 机床：数控加工中，机床热变不能 忽略，尤其在z 轴方向；( 4 ) 工件：工件材料及大小。( 5 ) 环境温度。( 6 ) 附近 激励振源等。整个工艺系统热变及动态精度由于工件大小，切削用量，刀具磨损 等发生着动态随机变化，而在超高速条件下，其变化规律更是复杂，在国内缺少 针对性的全面研究。只有当旋风铣削工艺系统多变量对精密加工质量的影响规律 有了系统科学的理论依据以后，其参数的优先和匹配才有可能实现。 对东汽专利及易先中提出的预设程序控制旋风头方法的分析可知，两者都没 有考虑刀具磨损和工艺系统在高速条件下的热变及动态精度影响。鉴于此，本文 作者提出“多变量输入条件下的实时插补模糊神经网络控制 理论，把五轴铣床 及外界环境作为一个系统来考虑，把子系统中每一个变量及其影响因素作为输入 构建智能优化系统，实时反馈插补修正指令控制旋风头摆动角度及偏心量、铣削 头主轴高度、进给速度等，来补偿几何误差、工艺系统热变、动态精度、刀具磨 损影响引起的误差，可以提高综合加工精度以此作为后期研究方向 3 构建智能控制系统的可行性 要构建上述智能控制系统，就必须首先研究高速条件下，每一个子系统内各 个多变量自身的变化规律及它们对加工质量综合影响规律，这些多变量以一种不 同于普通速度切削的规律影响着旋风铣削加工质量，建立以工件精密加工质量为 目标函数，以切削用量、刀具磨损量、工艺系统热变、动态精度及冷空气温度、 流速、流束大小、方向角度为约束条件的数学模型是设计控制系统的前提。而要 建立数学模型，有大量工作要做，只有以下少量研究成果有助于模型建立。 ( 1 ) 法国s s e q o n d s 等人实验研究了数控机床加工过程中的热变影响，得 出了在z 轴方向尺寸变化显著的结论口2 q 7 1 ；我国任永强和杨建国等进行了数控机 床热误差补偿模型在线修正方法及数控机床综合误差补偿研究啪瑚1 ；杨庆东等进 行了神经网络补偿机床热变形状误差的机器学习技术研究m ，；这些研究成果虽对 旋风铣削加工工艺系统误差规律研究有一定借鉴作用，但针对高速旋风铣削加工 的多变量补偿修正，还远远不够。， ( 2 ) 在工件振动特别是高速、超高速旋风铣头主轴动态精度方面，已有的 动力学理论及候敬宏等旋转机构振动h 、张俊红等的旋转轴系扭振池1 等最新研究 成果，有一定参考价值，但对由于旋风铣头角度不断摆动、切削激振力不断变化 的高速旋风铣削工艺系统动态精度研究，却几乎是一个全新的课题。 ( 3 ) 在高速旋风铣削条件下的理论螺距累积误差虽然会大幅减少，但还没 有完全达到精密加工要求，为了使此技术不致因螺距累积误差影响应用并利于向 超精密方向发展，在加工过程中，必须考虑冷却问题。近年来日本 “3 1 y a m z a k i ，t a r a o 和新加坡m r a h m i n m l 及其他国外学者相继发表了针对高速加 6 中南大学硕士学位论文第一章绪论 工提出的冷空气冷却法进行的实验和理论研究文章，这一方法可以尝试用于高速 旋风加工的冷却问题研究、实验。但如果首先对高速旋风铣削切削区温度分布及 变化规律进行理论研究，在理论基础上对冷却空气温度、流速、流束大小、方向 角度与冷却效果的关系进行科学预测，然后进行实验研究，有可能会比国外学者 侧重对实验结果分析的研究效果迅速和准确，有利于此冷却法在旋风技术的早日 成功应用。 ( 4 ) 神经网络技术的较快发展与在机械工程方面的成功应用实践。 4 目前的困难与近期可行性研究方案 旋风铣削技术应用基础理论研究在国内少人问津，高速、超高速五轴联动旋 风精加工更是一个全新课题，要使这一技术研究取得实质性进展，不仅有大量理 论工作要做，最大的困难还是需要解决实验问题。在目前条件下，完成此项实验 确有一定难度。但应用现有技术手段对五轴联动旋风机床( 包括刀具) 进行以设 计为中心的虚拟制造( 该技术主要包含两部分：建模与仿真) 及误差补偿研究， 不仅切实可行，也有较好的理论意义和实际价值。因五轴联动旋风铣削机床结构 复杂、设计制造难度大、技术含量高，且缺乏设计资料和产品试制手段。应用虚拟 制造技术设计旋风机床的探索与实践，即通过其创新设计和一系列仿真分析，使 精密旋风机床及工装新产品开发在试制过程中可能出现的问题大部分能在设计阶 段避免和解决；而在国内机床尤其是五轴联动机床制造技术尚不足以满足旋风精 加工应用时，对五轴旋风铣床的综合误差建模与补偿研究，能为五轴旋床误差实 时补偿、实现“进化 加工提供理论基础。 1 3 五轴联动机床及其误差补偿研究现状 1 3 1 五轴联动机床研究现状 高性能数控机床主要体现在机床的高速度、高精度和多轴三个方面。多轴是 指超过三个进给运动自由度的机床。自由度数越多，加工适应的范围越大，对加 工工艺过程的优化越好嘲。 采用5 轴联动，可以使用刀具最佳几何形状进行切削，不仅表面加工质量高， 而且效率也大幅度提高。归纳起来，五轴联动机床主要有以下优点口b 惦删： ( 1 ) 可加工结构形状复杂零件，特别是空间曲面复杂的零件； ( 2 ) 可以改善空间曲面零件切削条件，明显提高零件精度和表面质量； ( 3 ) 可以优化加工过程及提高切削效率，一次装夹可以加工多角度表面， 减少辅助加工时间。 五轴联动机床之所以成为机床产品中的重点和难点是由其本身的技术特点 7 中南大学硕士学位论文第一章绪论 和使用功能决定的。五轴联动机床是二个转动坐标a ( b ) 、c 和三个平移坐标x 、 y 、z 的组合，共5 个可独立连续进给的运动。结构复杂、设计制造难度大、技术 含量高，且缺乏设计资料和产品试制手段。根据五轴联动数控加工中心中2 个转 动坐标的配置方式，五轴联动数控加工可分为3 类h 渊1 ： ( 1 ) 五轴联动双转台加工中心( 两个回转运动由工作台转动实现) ，如图卜4 。 ( 2 ) 五轴联动双摆头加工中心( 两个回转运动由主轴头摆动实现) ，如图卜5 。 ( 3 ) 五轴联动摆头及转台加工中心( - 一个回转运动由工作台转动实现，另一个 回转运动由主轴摆动实现) 。 第一种结构的机床结构设计和制造相对简单，近几年国内已经研制成功。 第二种双摆头加工中心是在铣头上实现c 轴和a 轴( b 轴) 摆动功能。用 于五轴联动时，要求双回转轴有联动功能。 图卜4图卜5 最适合旋风技术精加工应用的五轴联动旋风铣床是前两种的结合。在加工 复杂轴类、回转体零件时不仅具备五轴联动优势，还同时拥有旋风铣削一次成型 功能，效率更高。 五轴联动旋风铣床结构复杂、设计制造难度大、技术含量高，且缺乏设计资 料和产品试制手段，还处于理论研究阶段，未见其产品，需要创新设计。 五轴联动旋风铣床在技术上的难度要远远大于三轴机床，过去很长时间没有 解决国产化，主要存在以下几方面原因脚1 ： ( 1 ) 五轴联动数控系统复杂，计算机速度等硬件条件限制了国内的开发， 进口不仅价格很高，而且受到很多限制： ( 2 ) 缺少适用的五轴联动编程软件，进口软件价格很高，为3 轴联动编程 软件的数倍； ( 3 ) 结构复杂，缺乏设计资料和研究试制手段，零部件制造工艺难度大， 试制周期长，成本高。 近年来，随着各项技术的发展，上述问题正在逐步解决： ( 1 ) 计算机速度的大幅度提高不仅使五轴联动数控系统的价格大大下降， 而且国内化。如华中科技大学数控集团、南京四开数控公司等均有产品： 中南大学硕士学位论文 第一章绪论 ( 2 ) 五轴联动自动编程软件逐渐普及应用，价格大大下降； ( 3 ) 电主轴使结构简单化，降低了设计难度，另一方面高强度和高精度零 部件的制造技术在国内也有很大提高。 目前国内在设计制造高性能机床方面已有很大改善，基础技术已经取得很大 进展。但是在设计五轴联动旋风铣床方面还缺乏经验，许多环节的设计制造关键 技术还有待于研究解决。因为商业等方面的原因缺乏技术资料，以及研制需要很 大的资金投入和较长时间的试制等都影响了发展，在国际市场竞争中还明显处于 劣势。同样五轴旋风铣床也面临着机遇和挑战。 开发五轴联动旋风铣床主要依靠设计技术和制造水平的提高，设计技术又是 其中的关键。普通机床设计是以类比法为主，按照各种标准和设计手册进行设计。 对于类比资料很少的五轴联动旋风铣床新产品设计，需要开发性设计，即创新设计。 任何科技成果转变为有竞争力的商品，设计都起着关键作用。产品创新设计是基于 现代设计理论和方法，以提高产品质量、提高产品的功能、缩短产品开发周期为目 的的设计技术。创新设计强调从原来固有的常规设计模式中跳出来，用新观点、新 原理、新方法来设计新产品。 我国工业产品设计以前都是凭借设计者的经验，以模仿为主，故局限性大。从 6 0 年代开始，加强了新产品的开发设计与实验研究工作，从而使设计从仿制和经验 设计逐渐走向实验研究和计算分析设计阶段。到了8 0 年代，逐步采取一些国际上的 先进技术与方法，计算机也引入了设计领域，对设计工作的发展起了很大的推动作 用。 在新机床产品的设计开发工作中，创新产品设计的概念逐步应用，相关的理论 方法也逐渐成熟。在新品种的机床设计中不断有创新方法的应用，如：重庆工学院创 新设计齿轮去毛刺机床；清华大学作了并联机床数字化创新设计研究；山东工业大 学创新设计开发多轴磨齿机等。 国外先进机床企业在五轴联动机床的产品开发中，一方面注重已有产品的优化 改造，另一方面注重原理创新的产品。 国内在开发五轴联动机床的方式上，目前的主要方式是引进和仿造。仿制越 来越不合法，而仿造产品因为技术基础的差异，不仅很难成功，而且限制了自主 开发创新。引进的技术都是落后若干年的，使企业在竞争中始终处于劣势，不得 不反复引进。而且引进技术因为没有自主知识产权而受到各种限制。例如国内在 “八五 新产品计划中的万能铣头攻关项目以仿造为主，因缺乏资料和基础技术 支持而没有成功。 五轴联动旋风铣床是新产品开发，没有同类产品设计经验。设计制造要求时 间短，若按照传统方法进行，无法满足市场竞争的要求。但如以现代设计理念为 9 中南大学硕士学位论文 第一章绪论 技术基础，并且以创新思维投入设计，以虚拟分析方法验证设计结果，可以使设 计开发的成功率大大提高。 以设计为中心的虚拟制造技术主要包含两部分：建模技术与仿真技术，应用 于五轴联动旋风铣床开发，需要综合运用多种创新设计方法，并对设计的分析验 证和修改。在运用过程中，要注意两点原则： ( 1 ) 建立能够融合创新思维的科学设计方法，注重经验但不完全依靠经验； ( 2 ) 充分考虑设计制造的基础环境因素，融合并行工程和敏捷制造的观念。 1 3 2 数控机床误差补偿的意义 现代机械制造技术正朝着高效率、高质量、高精度、高集成和高智能方向 发展。发展尖端技术、发展国防工业、发展微电子工业等都对精密和超精密加 工提出了越来越高的要求，精密和超精密加工技术已成为现代机械制造中最重 要的组成部分和发展方向，并成为提高国际竞争能力的关键技术。随着精密加 工的广泛应用，对数控机床加工精度的要求日益提高。一般地说，影响数控机 床加工精度的误差源主要表现为： ( 1 ) 机床热变形误差； ( 2 ) 机床零部件和结构的几何误差及装配误差； ( 3 ) 机床轴系的伺服控制误差； ( 4 ) 机床本身重量及负载所产生的变形误差； ( 5 ) 刀具磨损及切削力引起的误差； ( 6 ) 其它误差源，如数控插补算法误差、振动引起的误差等。 在机床的各种误差源中，热误差及几何误差为最主要的误差h 蚓1 ，分别占 了总误差的4 5 、2 0 ，所以减少这两项误差特别是其中的热误差是提高机床加 工精度的关键。机床的几何误差主要来自机床的制造缺陷、机床部件之间的配 合误差、机床部件的动、静变位等。机床热误差主要由电机、轴承、传动件、 液压系统、环境温度、冷却液等机床内外热源引起的机床部件温度分布不平衡 引起的。越是精密的机床，热误差占总误差的比例越大，热误差不仅使产品的 尺寸精度下降，而且因尺寸超差调整而影响生产率，尤其是柔性制造系统( f m s ) 和柔性制造单元( f m c ) 提出了机床加工过程中对各种误差的自动监控和自动 补偿问题，因此减小并对热误差进行补偿对提高机床的加工精度到至关重要。 在高进给速率下，由控制系统伺服性能而引起的误差有可能比几何误差还大得 多而成为不可忽视的误差，其不仅影响尺寸精度同时影响轮廓精度。因此快速、 有效地对机床运动误差进行检测非常重要，只有通过检测才能对机床进行调 整、误差建模并最终实施误差补偿。 i o 中南大学硕士学位论文第一章绪论 为提高数控机床的加工精度，各国学者做了大量深入的研究，并且提出了 许多行之有效的方法。这些方法主要可分为两大类：误差防止法和误差补偿法。 误差防止法是试图通过设计、制造和装配途径来消除或减少可能的误差 源。它虽能减少原始误差，但代价往往很昂贵，单纯采用误差预防的策略难以 满足提高数控机床加工精度的要求。误差补偿法是指人为地造出一种新的误差 去抵消或大大减弱当前成为问题的原始误差，从而减少加工误差，提高被加工 零件尺寸精度。 国际生产工程学会( c i r p ) 在1 9 9 5 年提出主题报告“机床热误差的减少 与补偿 嘲，论述了热补偿对提高机床精度的作用。误差补偿技术已成为国际 上十分热门的研究课题，如现代天文望远镜和x 射线显微镜的圆度要求达 5 o h m ，这首先要求测量仪器的准确度应优于2 o h m 。，这在目前“硬技术已 几乎无能为力。而采用误差分离技术和补偿技术消除掉圆度仪轴系的回转误差 中的系统分量之后，其残余回转误差便可小于2 5 姗；误差补偿技术可以用很 小的代价便可获得“硬技术 难以达到的精度水平，因而误差补偿技术以其强 大的技术生命力迅速被各国学者、专家所认识，并使之得以迅速发展和推广。 时至今日，为使被加工或测量件有可能超过母机的精度，许多精密机床、精密 仪器及某些精密制造设备都采用了误差补偿技术，因此误差补偿技术已成为现 代精密工程的重要技术支柱之一。随着现代计算机技术、数控技术及测量系统 的高速发展，误差补偿技术有了更广泛的应用前景。 误差补偿技术的最大特点在于无需投入大量资金便可大幅度提高数控机床 的加工精度，该技术非常适合于我国制造工业发展现状。在数控机床制造水平尚 不能满足旋风铣削精加工应用要求时，采用该技术可以提高加工精度，实现“进 化旋风加工。 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 瑞士1 9 3 3 年通过对坐标镗床进行测量分析后发现机床热变形是影响定位精 度的主要因素。3 0 、4 0 年代，各国有关学者对各种机床热变形的研究侧重对机 床热特性作实用性改进。大约在5 0 年代，开始了误差机械式固定补偿。6 0 年代， d l l e e t e 嘲1 、d f r e n c h 和s h h u m p h r i e s 瞄钉等首先采用三角几何关系建立了三轴 数控机床的几何误差模型。7 0 年代，k o l i s t o r 通过测量零件的轮廓误差并侯改 数控代码而使后续的零件的几何误差得以补偿嘲1 ，该方法需要额外的测量设备测 得零件的尺寸误差，且无法补偿需要长时间加工而引起的时变热误差。w j l o v e 和a j s c a r r 田通过确定机床各误差因素的综合影响，分析了多轴机床的空间误 差。7 0 年代中期，s c h u l t s c h i c k 呻1 用矢量表达方法建立了三轴坐标镗床的空间 中南大学硕士学位论文第一章绪论 误差模型，h o c k e n 嘲1 用多维误差矩阵模型建立了三座标测量机的角位移误差模 型，提高了三维坐标测量机的测量精度。k k i m 和m k k i m 咖1 等在s c h u i t s c h i c k 的工作基础之上进一步运用刚体系统动力学方法建立起三轴数控机床空间误差 的预报模型。7 0 年代后期，出现了机床热变形的数控补偿技术，日本提出一种 主轴热变形补偿方法，即预先求出温度和热变形关系式，通过测试系统检测实际 加工时特定点的温度，利用温度和热变形关系式，通过机床滑块的移动进行补偿。 在八十年代前，热误差补偿的真正实施主要还是通过误差防止即减少热源、 热流控制、热鲁棒性结构设计来实现。热鲁棒性结构设计则主要基于设计热对称 结构、设计热对称热源、使机床结构的热敏感性最小化考虑。对高精密设备，减 少热源几乎是唯一途径，热流控制则主要表现为在主结构单元间主轴和溜板采用 空气轴承、机床结构单元采用低热膨胀石墨材料、主轴箱采用高效制冷系统、环 ( 如床身和主轴箱) 加入隔热层，改变机床结构的温度场和热敏感性而使各单元 热变形均匀、通过外部热源控制机床的热变形。1 9 6 7 年，y o s h i d a 和h o n d a 通