数控机床加工误差补偿技术的研究【18000字】【优秀机械毕业设计论文】

文档包括:
说明书一份。49页。18000字左右。
任务书一份。
开题报告一份。
计划周记进度检查表一份。

毕 业 设 计论 文 任 务 书
一、题目及专题：
1、题目　　数控机床加工误差补偿技术的研究 　　
2、专题　 　
二、课题来源及选题依据
由于数控机床加工精度受到材料、制造、安装、检测、控制、环境等诸多因素影响，特别是超精密加工，每一个因素都可能成为影响机床最终加工误差的主要原因，如果不进行综合分析与控制，任何一项误差源都可能使零件精度超差。鉴于国外数控机床精度研究对数控机床发展的推对作用的成功经验，根据机械制造业发展的现状和趋势，从我国的实际出发，在对国际数控机床技术进行跟踪和超前研究的同时，很有必要集中一定的人才和资金对制约数控机床加工精度的一些关键技术如高性能的数控系统、高精度伺候控制技术、高精度主轴驱动技术和有效的精度保障技术，以及基础理论进行研究。这对提高数控机床的加工精度及从整体上提高数控机床现有水平，为更高层次的综合自动化的开发以及更高层次的精度制造技术的发展均具有重要意义。 
三、本设计（论文或其他）应达到的要求：
① 了解数控机床加工误差补偿的发展历程，掌握多体系统理论法； 
② 熟悉9线法误差辨识技术和21项几何误差参数； 
③ 熟练掌握Z型扫描以及直流系数和交流系数的编码； 
④ 熟悉误差补偿模拟系统的软件和硬件的各个组成部分及使用方法； 
⑤ 能够熟练使用HP双频激光干涉仪。对数控加工中心进行误差测量及辨识； 
摘 要
加工精度是机床最重要的性能指标之一。本课题运用多体系统运动学为核心的误差分析理论体系，对三轴数控机床精度问题进行了系统、全面的分析，并重点在数控机床误差测量、误差分析建模、误差辨识以及误差补偿等方面的研究，通过建立误差模型，得出误差在刀具运动过程中的传递规律，给出了过程，为了提高加工精度，从而对机床进行了软件误差补偿。本文主要从以下几个方面的内容进行了研究和探讨：
(1) 研究了机床的精度分析的基本理论，对多体系统运动学以及基于该理论的机床误差建模、误差辨识及误差补偿的方法作了科学性的研究。数控机床误差参数的正确辨识是数控机床补偿的必要前提条件。
(2) 详细分析了三坐标9线误差分析方法，以沿X向运动为例，算得六项误差参数，继而同理可以推算出沿Y向和Z向的十二项误差参数，之后又以 为例，具体给出其计算方法，同理可推算出其余两项垂直度误差 。由此得到21项误差，并以X向为例，做实验，将测得值和计算的两个误差进行比较，发现误差相差比较小。
(3) 详细阐述了软件补偿数控指令的修正算法，再根据此建立了软件补偿系统，分别对软件系统的软硬件流程进行详细阐述，最后通过此项技术的误差补偿，数控机床的各项误差都有所降低，达到了本课题提高机床加工精度的目的。但是本课题的成果尚未应用到生产实际中，在今后的研究中，还要进行大量的实验去获取大量的实际数据，为今后该方法的实际应用奠定基础。

关键词：数控机床；几何误差；多体系统；误差补偿

Abstract
The machining accuracy is one of the most important performance indexes for machinetools．Theoretical analysis of system error based on the kinematics of multi-body system as the core, the three axis CNC machine tool accuracy problem analyzed system, comprehensive, and focus on the NC machine tool error measurement, error analysis, error identification and the error compensation model etc., by establishing the error model, transfer of error in the tool motion process in conclusion, given the process, in order to improve the machining precision, thus the software error compensation of machine tools. The following issues are mainly studied and addressed in this thesis：
(1) Research on the basic theory analysis of the accuracy of machine tools, the kinematics of multi-body system and method of the theory of the machine tool error modeling, error identification and the error compensation based on the scientific study. Correctly identifying the geometric error parameters is a necessary prerequisite for compensation of NC machine.
(2) After establishing the precision model of machine tools，the measurement and evaluation of their error parameters have been started．There are many kinds of error parameters in the machine tool to influence its machining accuracy．The recognized strategies of error measurements and evaluations for machine tools are introduced．After that，this paper has detailed a new method defined as twelve—line method for the sake of making the most of double．frequency laser interferometers to measure and evaluate 21 geometric errors of three-axis system．Based on these researches，the problems of the error measurement and evaluation of machine tools in the application process of MBS theories are resolved perfectly．
(3) This paper put forward index systems of machining contour errors，through error compensation of this technology, the NC machine tool error are reduced, reaches the aim of improving the machining accuracy of machine tools. But the result has not been applied to the actual production, in future research, but also a large number of experiments to obtain a large number of actual data, and lay the foundation for the future application of the method.

Key words：machine center; geometric error; multi-body system; error compensation

目 录
摘 要 III
ABSTRACT IV
目 录 V
1 绪论 1
1.1 数控机床加工误差补偿技术的研究内容和意义 1
1.2 国内外的发展概况及分析 1
1.3 误差补偿技术研究应达到的要求 1
1.3.1 研究的指导思想 1
1.3.2 应要达到的要求 2
2 数控机床的主要误差来源及补偿方法的研究 3
2.1 数控机床的误差来源及分类 3
2.1.1 数控机床的误差产生的原因及分析 3
2.1.2 数控机床的误差分类 3
2.1.3 数控机床的误差补偿技术研究 4
2.2基于多体系统理论的几何误差模型 4
2.2.1多体系统拓扑结构的描述 5
2.2.2 实际情况下多体系统的位置关系 5
2.3误差分析及参数辨识 7
2.3.1 三坐标误差分析 7
2.3.2 数控机床误差补偿的误差参数辨识 7
2.3.3 误差补偿的实验与结论 10
2.5 本章小结 10
3数控机床加工误差补偿系统 11
3.1几何误差软件补偿法选择与分析 11
3.1.1 误差补偿方法的分类与选择 11
3.1.2 软件补偿数控指令修正算法 11
3.2误差补偿系统的硬件设计分析 14
3.2.1 软件补偿数控指令修正算法 14
3.2误差补偿系统的软件设计分析 15
3.3 本章小结 20
4 数控机床加工的误差补偿及仿真验证 21
4.1 误差补偿系统的软件补偿实验 21
4.1.1 数控机床类型及约束参数的设定 21
4.1.2 机床误差参数辨识模块 22
4.1.3 共建位置及刀具参数输入 23
4.2 数控机床误差补偿软件的仿真验证 24
4.2.1 针对X向测出的误差前后数据记录 25
4.2.2 三坐标轴上误差补偿前后误差值的分析 27
4.3 本章小结 28
5 结论 29
5.1全文总结 29
5.2 存在的问题及分析 29
5.3 数控机床加工误差补偿技术的展望 29
致 谢 31
参考文献 32
附 录 33

论题来源
实验室课题
科学依据
(1) 研究的科学意义
在现今高科技环境下, 制造领域正向高精度、高质量、高集成度和智能化方向发展，人们对机械产品的精度和质量要求越来越高，要求必须采用高精密制造加工技术,而作为制造加工的主要设备数控机床的精度技术,已成为提高制造水平和国际竞争力的关键技术。为了提高我国制造业在国际市场的竞争力,必须提高数控机床加工精度,提高加工精度重要措施之一是采用误差补偿技术。一方面它无需对机床进行硬件改造，另一方面误差补偿技术也无需投入大量资金，便可较大幅度地提高机床的加工精度，它成为不仅促进了机械技术发展，而且起到推广作用。因此，误差补偿技术逐步发展成为当今提高数控机床加工精度的主要方法。
以往我们主要集中对数控机床技术在机床数控化方面的研究，而忽略了对数控机床精度问题的研究。近年来，随着我国制造业在国际市场的膨胀，我们逐渐开始关注数控机床的性能，数控机床的精度等，材料、制造、安装、检测、控制、环境等诸多因素都会影响数控机床的精度。我们通过对这些影响因素的综合分析与控制，可同时具备运行高速化、加工高精度化的性能。因此，根据当今机械制造业发展的现状和趋势，我们需要在对国际数控机床技术进行跟踪和超前研究的同时，需要加投入人才和资金对一些如高性能的数控系统、高精度伺候控制技术、高精度主轴驱动技术和有效的精度保障技术，以及基础理论之类的制约数控机床加工精度的关键技术进行研究。这样才能从整体上提高数控机床现有水平，提高数控机床的加工精度，为更高层次的综合自动化的开发以及更高层次的精度制造技术的发展奠定基础。
(2) 国内外研究现状及分析
最早发现机床热变形现象并进行研究的国家之一是瑞士。1933年，瑞士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。由此开始了机床误差的检测、建模和补偿技术研究。就目前来看，在机床误差检测、建模和补偿技术研究和应用中比较有影响的有美国密西根大学、日本东京大学、日立精机、德国柏林工业大学等。其中，美国的密西根大学1996年成功地将热误差补偿技术实施于美国通用(GM)公司下属一家离合器制造厂的150多台车削中心上，使加工精度提高1倍以上。
近年来，数控机床加工误差补偿技术以其强大的技术生命力快速地被各国技术人员、专家所认识，并使之得以迅速发展壮大，而今已经成为现代化精密工程的重要技术支柱之一。但从国内来看，数控机床误差补偿技术在工业中应用的
例子并不是很多，还没有达到商业化的程度，目前国内误差补偿技术的研究还停留在实验室阶段，还没有看到有企业大批量应用误差补偿技术，这说明数控机床误差补偿技术的理论和技术的研究还有待开发。
研究内容
本文所研究的，主要包括以下内容： 
(1) 数控机床加工的主要误差来源、分类及补偿方法。 
(2) 针对几何误差通过试验，找出变化规律，建立相应的数学模型。
(3) 通过建模实例，测出补偿前后的差异性，得出误差补偿的结论。
(4) 现有技术下，误差补偿的局限性和未来的发展趋势。
拟采取的研究方法、技术路线、实验方案及可行性分析
本论文研究的方法包括观察法、实验法、文献研究法、实证研究法 、模拟法等。本轮问涉及的技术路线及试验方案是通过对数控机床经典数学模型的数据分析及误差补偿总结，结合实例测试出补偿前后的差异性。 
可行性分析 ：随着工业技术的发展，制造领域对精度的要求越来越高，而依靠 数控机床的误差补偿技术是必不可少的。

研究计划及预期成果
研究计划：
2012年10月12日-2012年12月25日：按照任务书要求查阅论文相关参考资料，填写毕业设计开题报告书。
2013年1月11日-2013年3月5日：填写毕业实习报告。
2013年3月8日-2013年3月14日：按照要求修改毕业设计开题报告。
2013年3月15日-2013年3月21日：学习并翻译一篇与毕业设计相关的英文材料。
2013年3月22日-2013年4月11日：数控机床加工的误差补偿理论研究。
2013年4月12日-2013年4月25日：数控机床加工的误差补偿软件的设计。
2013年4月26日-2013年5月21日：毕业论文撰写和修改工作。
预期成果：
通过对数控机床加工误差的主要原因及误差来源进行理论分析，针对几何误差进行多系统理论建模，利用软件模拟系统来实现误差的补偿，用HP双频激光干涉仪来证实误差补偿前后精度的提高。
特色或创新之处
(1) 能够明显的提高机床精度，减少不合格产品的比例。
(2) 本设计的产品成本低，简单方便易使用。
已具备的条件和尚需解决的问题
(1) 通用化的数控机床空间建模方法，数学模型无法适用于同类型的不同机床。
(2) 误差参数辨识技术还不成熟，误差快速辨识实现困难。
(3) 误差补偿的实施手段受数控系统硬件和程序的开放性限制。