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五轴联动机床的优化研究【4张CAD图纸+毕业论文+任务书+开题报告】

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关键词：: 五轴联动机床优化研究 cad图纸毕业论文任务书开题报告五轴联动机床的优化研究

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五轴联动机床的优化研究

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摘要

随着现代制造业的发展，对数控机床提出了更高的要求，对精密、超精密以及纳米加工和加工方式、成型方式满足新的要求成为研究发展方向。在现有的三坐标联动数控机床的工作台上在增加安装一个具有两个旋转自由度的数控回转工作台，与原有的工作台成为一个整体，成为一个多自由度的回转工作台，再进行数控系统的升级，使该机床成为五轴联动数控机床。这样的机床增加了B轴、C轴的加工面，使加工更加方便快捷。五轴联动数控系统是目前数控技术中难度最大、应用范围最广的技术，集计算机控制、高性能伺服驱动和精密加工技术于一体，对于复杂曲面的高效、精密、自动化加工，它对一个国家的航空、航天、军事、科研、精密器械、高精医疗设备等等行业，有着举足轻重的影响力。

本文以VMC0656mu型五轴联动数控机床为研究对象，按照新的加工需要和精度要求，，从三维图形坐标变换入手，通过详细的分析和理论计算，推导得出了该机床在实际应用过程中影响五轴联动数控机床加工精度的主要因素并找到行之有效的方法来分析误差进行优化补偿。

根据这种需要，本文以VMC0656mu型五轴联动数控机床为研究对象，讨论了五轴联动机床常用的误差补偿方法和驱动优化方法，最后得到了具体的检测步骤以及相应的机床数据。

考虑到电主轴温度对机床精度的重要影响，有必要对这部分误差进行研究并补偿。本文通过傅里叶定律和牛顿冷却公式建立了电主轴的热误差模型；利用齐次变换矩阵得到了热误差的传递模型；其次，基于齐次变换矩阵的微分得到了主轴热误差量与各运动轴间的补偿关系。最后，阐述了利用差动式电容位移传感器测量热误差量的方法，以及加工时热误差的补偿实现。

关键词：五轴联动；数控机床；优化； 840D

Abstract

At present, with the development of modern manufacturing at a high speed, 5-axis CNC machine tools is currently the most difficult numerical control technology, the most widely applied techno1ogy, centra1ized computer control, servo drives and sophisticated technologies in a whole, used in complex surface systems for high-performance, precision, automated processing. Therefore, to improve accuracy of CNC machine tools, effective method must be applied to analyze and decrease thermal errors.

Based on the need, the model of thermal error of 5-axis CNC machine tools is built, which supplies foundation for Practice, and Predicts, controls and compensates thermal errors of CNC machine tools effectively.

For one thing, a model of thermal errors of the motorized spindle is established by means of Fourierism law and Newton cooling formula; For another thing, the compensation relationship between thermal errors of the spindle and various kinematic axes is got based on the differential coefficient of homogeneous transformation an matrixes; Lastly, as for thermal errors, a measure method by differential capacitance sensor and realization of the compensation in the machining process are described.

The outcome of this research had high value for the development of high performance machine tools, and the methods proposed in the paper were also suitable for the other similar 5-axis and high speed machine tools.

Key Words：5-axis; CNC Machine Tools; Optimization; Error Compensation; 840D

摘要 I

Abstract II

1 制造业与五轴 1

1.1 课题背景与意义 2

1.2 对优化研究的过程 3

1.3 优化的发展方向 3

1.4 本论文的主要研究工作 4

2 VMC650mu型机床简介 5

2.1 机械结构介绍 5

2.2 数控系统介绍 8

2.2.1 数字控制单元 9

2.2.2 操作显示单元 9

2.3 插补技术的发展历程及趋势 9

3 数控机床的驱动优化方法 11

3.1 数控驱动系统优化 11

3.1.1 驱动优化的原理与方法 11

4 五轴联动机床的坐标轴误差补偿与优化 13

4.1 五轴联动机床坐标轴优化 13

4.1.2 检测步骤与计算方法 18

结论 24

致谢 25

参考文献 26

1 制造业与五轴

当今世界正处于现代制造业蓬勃发展时代，数控机床，特别是高、精的数控机床是实现先进技术的重要因素。随着加工工艺的日益精细和复杂，原有的三坐标联动数控机床的工作台在面对更高的要求，更精细的精密、超精密以及纳米越显乏力，因此，开发出新的加工方式的加工机床成为发展方向。面对工业需要，在三轴联动机床的工作台上再增加一个具有两个自由度的数控回装工作台，将其安装在原有的工作台上，与原有的工作台成为一个整体，成为一个多自由度的回转工作台，再通过对数控系统的升级（不属于本设计范畴），使该机床成为五轴联动的数控机床。五轴联动数控机床的出现，推动了世界制造业的迅速发展，它不仅科技含量高、精密度高，而且可用于加工复杂曲面，它对一个国家的航空、航天、军事、科研、精密器械、高精医疗设备等等行业，有着举足轻重的影响力。

五轴联动数控机床是在三个平动轴基础上增加了两个转动轴，这使它加工方式灵活多样：对于直纹面类零件，可采用侧铣方式一刀成型；对一般立体型面特别是较为平坦的大型表面，可用大直径端铣刀端面贴近表面进行加工；在某些加工场合，可采用较大尺寸的刀具避开干涉进行加工。在一台机床上利用一次装夹完成大部分或全部切削加工，以保证工件的位置精度，提高加工效率。

1.1 课题背景与意义

随着现代制造业的发展，装备制造业对机床的加工提出了更过更高的加工要求，而数控机床是装备制造业的重要组成部分，特别是四轴、五轴联动的加工中心。航空方面，航空工业对精度的要求很一直不断提高，因为采用高精度的零部件，可以有效的提高飞机的可靠性和安全性；航海方面，船舶的主要常规动力仍然是柴油机，对于核动力舰船，其辅助动力源也是柴油机，所以柴油机的质量好坏将直接影响船舶行业的竞争能力，而质量又取决于精度；在生产方面，我国印刷业一般印刷能力过剩，高档精美彩色印刷能力不足，这就要提高对印刷质量有直接影响的零部件的加工和装配质量，而滚筒就是对印刷质量有直接影响。

五轴联动数控机床是一种科技含量高，精密度高专门用于加工复杂曲面的机床，这种机床系统对国家的航空、航天、军事、科研、精密器械、高精医疗设备等等行业，有结论

这次设计我完成了五轴联动机床的误差优化研究的结构设计。我首先查找了各种机床使用手册，机床电路图，以便理解课题，整理自己的思路及设计步骤；其次选择自己会的切合适的绘图软件，并在绘图过程中不断根据手册进行测绘以绘制准确的机床图纸；然后，按老师的指导，确定结构方案并进行相关参数计算、校核；最后，完成整个结构的三维造型和装配，完成设计研究，并整理成报告书，本设计方案中探讨的五轴联动数控机床的误差补偿与优化的方法，构成了较为完善的误差补偿体系，能够较大的提高机床的加工精度，为数控机床的误差补偿提供了理论指导。但是，本文中理论的实验环境是基于是西门子的840D数控系统的，对于能否适用其它品牌的数控还有待进一步证实。

相信经过不断地改进误差补偿和优化方法，国产的数控机床产品必定会向“高精型”的目标大步挺进。随着产品不断地更新，功能越来越齐全、精度的不断提高，国产的机床品牌必将在国际上占有重要地位！

致谢

历时四月，在论文的写作过程中遇到了无数的困难和障碍，万幸的是同学总是愿意陪我寻找论文依据，老师们耐心指导并指引我参考哪些文献，我终于完成了自己的论文设计。尤其要感谢我的论文指导老师刘永吉教师，老是对我进行了耐心的指导和帮助，不厌其烦的对我提出进行论文的修改和改进。还有我的专业老师张海华，他在我完成报告书的过程中不厌其烦的指导我如何完成，不断的给我思路，如果没有老师的帮助，真不知道自己的报告会是什么乱样子。另外，在校图书馆查找资料的时候，图书馆的老师也给我提供了很多方面的支持与帮助。真是感恩有您们。再次向帮助和指导过我的各位老师表示最衷心的感谢！另外，感谢这篇论文所涉及到的各位学者。在本文我引用了数位学者的研究文献，如果没有各位学者各位前辈的研究成果的帮助和启发，我将很难完成本篇论文的写作。并感谢我的同学和朋友，在我写论文的过程中给予我各种素材，还在论文的撰写和排版过程中提供热情的指明。但是，由于我的学术水平有限，对此篇论文存在的不足之处，恳请各位老师和学友批评和指正！

参考文献

[1] 李佳特．NC技术发展的历史回顾与展望[J]．世界制造技术与装各市场，2000，2:29-34.

[2] 赵辉．数控机床的发展历史及其技术的发展趋势[J]. 内蒙古科技与经济，2007，8:51.

[3〕ARONSONRB. Pushing for Preeision[J].Manufacturing Engineering，1998，120(l):48，5，52-54.

[4] LIMEM，MENQeH，DAVIDWY. Precision machining of complex surfaces[C].Proceed in of the 1995 ASME International Mechanical Engineering Congress and Exposition，San Francisco，California，Nov 12-17，1995:157-173.

[5] LIMEM，MENQCH，DAVIDWY .Integrated Planning for Precision machining of complex surfaces-III: compensation of dimensional errors [C].International Journal of Machine Tools and Manufacture，1997，37(9):1313-1326.

[6] 杜正春. 锉削主轴同转误差测量与补偿系统研究[D].南京:东南大学，2000:1-12

[7] BLAEDELKL. Error reduction technology of machine tools[M]. Machine Tool Accurace,1980，5:9-12.

[8] BREEV B T. The influence of heat generation in grinding machines on their accuracy[J].Machine Tools，1951，22(4):5-9.

[9] SUGISHIA H，NISHIYAMA H，OKUBO N，et al. Development of concrete machining center and identification of the dynamics and the thermal structural behavior[C]. Annals of CIRP，198837(1):377-380.

[10] YUE Y. Laser-CCD based 6degree-of-freedom machine error measuring system [D]. Davis: University of California 2000:15-18.

[11] CHEN J S，YUAN J，NI J. Thermal error modeling for real-time error compensation[C].

Intenational Journal of Advanced Manufacturing Technology，1996，12(4):266-275.

[12] 北京机床研究所. 机床热误差微机实时补偿技术[J]. 机床，1986，8:34-38.

[13] 李书和. 数控机床误差补偿的研究[D]. 天津:天津大学，1996:78-85.

[14] LINPD，EHMANNKF. Direct volume trie error evaluation of multi-axis machines[C].

International Journal of Machine Tools and Manufacture，1993，33(5):675-693.

[15] KIMSK，CHODW. Real time estimation of temperature distribution in a ball-secrew system[J].InternationalJournalofMachineTOolsandManufaeture，1997，7(4):451-464.

[16] YANG Q D,VANDENBERGHC，VANHERCKP，et al. Linear regression and neural net models applied to thermal error compensation in machine tools[J]. European Journal of Mechanical and Environmental Engineering，1999，44(3):146-152.

[17] 刘焕牢.数控机床儿何误差测量及误差补偿技术的研究[D].武汉:华中科技大学，2005:3-13.

[18] 吴义荣，林雨，我国数控技术与产业现状[J].锻压装备与制造技术，2005，40(2)：22-25.

[19] 赵国勇，徐志祥，赵福令. 高速高精度数控加工中NURBS曲线插补的研究[J].中国机械工程，2006，17(3)：291-294.

[20] 彭芳瑜，何莹，李斌，NURBS曲线高速插补中的前瞻控制[J].计算机辅助设计与图形学学报，2006,18(5):625-629.

[21] 陈金成. 多轴联动高性能数控加工的运动优化与复杂轨迹实时控制策略研究[D]. 上海:上海交通大学，2001.

[22] 叶伯生,朱志红,熊清平.计算机数控系统原理、编程与操作[M].武汉：华中科技大学出版社,1999.

[23] 汪木兰.数控原理与系统[M].北京：机械工业出版社,2005.

[24] 廖效果.数控技术[M].武汉：湖北科学技术出版社,2000.

[25] 吴祖育，秦鹏飞.数控机床[M]. 上海：科学技术出版社，2000.

[26] 周济，周艳红.数控加工技术[M].北京:国防工业出版社，1998.

内容简介：: 毕业设计（论文）开题报告课题名称五轴联动机床的误差优化研究课题来源导师提供课题类型导教师开题报告内容：（调研资料准备情况，设计的目的、要求、思路与预期成果；工作任务分解，各阶段完成的内容及时间分配；完成设计（论文）所具备的条件、存在的问题等。）调研资料准备情况：就研究涉及的机械原理提前收集参考文献级报告，以主要研究五轴联动机床在具备高性能的之后所面临的问题进行解决为研究目的。如由于联动轴数增多，各轴的控制存在强耦合性，因此各轴的定位误差补偿也更是十分的复杂；再如在切削加工过程中主轴温升过高，并由此产生的热变形及热耦合问题，对电主轴的动态特性、刚性及热变形特性等对机床的刚性和热稳定性都有相当程度影响。设计的目的：培养学生运用已学知识，进行中等复杂程度的结构设计能力。培养学生结构设计创新能力。培养学生查阅有关设计手册的能力。培养学生综合制图、计算和编写技术规范的技能。对这些新机床旧问题进行研究，预计在报告最后提出合理的解决方案或思路。要求：根据毕业设计要求，根据老师所给的题目，完成总体结构装配图的绘制，并画出相关图纸，查阅相关资料，完成毕业设计说明书的编写。思路与预期成果：根据刘老师给定的结构设计题目，查阅相关文献资料，对机构的结构、用途有充分的了解，根据机械设计手册，完成总共 3 张 0 号图的图量以及设计说明书的编写。工作任务分解：整个毕业设计的完成，分成基础知识积累以及零件图的绘制等几个方面，具体如下：（ 1）对总体结构设计有一个清楚地建模思维，构思建模过程；（ 2）测绘各个部分零件图，进行绘制；（ 3）对零件图进行总体装配；（ 4）导出二维工程图（ 5）编写毕业设计说明书。各阶段完成的内容及时间分配：第 1 周，查询相关资料；第 2，开题报告；第 4，总体结构装配图设计；第 9，绘制零件图；第 13，编辑毕业设计说明书。完成设计（论文）所具备的条件：对五轴联动机床的结构以加及工用有相当充分的了解，以及相关知识的积累；学会熟练的查阅资料，比如机械设计手册、课程设计指导书、基础机械。绘图软件如熟练应用；对毕业设计说明书的编写，排版等能力。存在的问题：初期件使用不是特别熟练，但是随着毕业设计的进行，软件的使用也逐渐熟练。开始总体设计结构的拟定，思路不是特别清晰，随着资料的查阅，基础知识的逐渐积累，对总体结构设计的拟定有了大致的思路，进行每一步设计的规划，拟定出了结构设计方案。绘制完成零件图之后进行装配的时候，发现装配总是出现问题。后来经过一系列的尺寸修改，最终完成具体装配图的绘制。设计说明书的排版问题，开始也不是特别明白，进过上网查阅资料，根据学校提供的论文规范书进行修改，最终完成了毕设设计说明书的编写。进度安排的不是很合理，开始不需要那么久，而后面的测量绘图时间太少，险些耽误报告书的完成。在绘图时对令的陌生使绘图总是艰难，在测量时需要参照课堂书籍，不能灵活自如，课堂知识有待加深记忆。五轴联动机床是新一代加工机床，各部完美咬合，解决问题的实际牵动机床整体设计，可能因此导致出现新的问题，具体待研究。指导教师意见：指导教师签名：年月日课题类型（ 1） A 工程设计； B 技术开发； C 软件工程； D 理论研。（ 2） X真实课题； Y 模拟课题； Z 虚拟课题。（ 1）、（ 2）均要填写，如。沈阳工学院毕业设计说明书本科毕业设计（论文）题目：五轴联动机床的误差优化研究专业：机械设计制造及其自动化学号：学生姓名：指导教师：机械与运载学院2016 年 5 月摘要随着现代制造业的发展，对数控机床提出了更高的要求，对精密、超精密以及纳米加工和加工方式、成型方式满足新的要求成为研究发展方向。在现有的三坐标联动数控机床的工作台上在增加安装一个具有两个旋转自由度的数控回转工作台，与原有的工作台成为一个整体，成为一个多自由度的回转工作台，再进行数控系统的升级，使该机床成为五轴联动数控机床。这样的机床增加了B轴、C轴的加工面，使加工更加方便快捷。五轴联动数控系统是目前数控技术中难度最大、应用范围最广的技术，集计算机控制、高性能伺服驱动和精密加工技术于一体，对于复杂曲面的高效、精密、自动化加工，它对一个国家的航空、航天、军事、科研、精密器械、高精医疗设备等等行业，有着举足轻重的影响力。本文以VMC0656mu型五轴联动数控机床为研究对象，按照新的加工需要和精度要求，从三维图形坐标变换入手，通过详细的分析和理论计算，推导得出了该机床在实际应用过程中影响五轴联动数控机床加工精度的主要因素并找到行之有效的方法来分析误差进行优化补偿。根据这种需要，本文以VMC0656mu型五轴联动数控机床为研究对象，讨论了五轴联动机床常用的误差补偿方法和驱动优化方法，最后得到了具体的检测步骤以及相应的机床数据。考虑到电主轴温度对机床精度的重要影响，有必要对这部分误差进行研究并补偿。本文通过傅里叶定律和牛顿冷却公式建立了电主轴的热误差模型；利用齐次变换矩阵得到了热误差的传递模型；其次，基于齐次变换矩阵的微分得到了主轴热误差量与各运动轴间的补偿关系。最后，阐述了利用差动式电容位移传感器测量热误差量的方法，以及加工时热误差的补偿实现。关键词：五轴联动；数控机床；优化； 840DI3AbstractAt present, with the development of modern manufacturing at a high speed, 5-axis CNC machine tools is currently the most difficult numerical control technology, the most widely applied techno1ogy, centra1ized computer control, servo drives and sophisticated technologies in a whole, used in complex surface systems for high-performance, precision, automated processing. Therefore, to improve accuracy of CNC machine tools, effective method must be applied to analyze and decrease thermal errors.Based on the need, the model of thermal error of 5-axis CNC machine tools is built, which supplies foundation for Practice, and Predicts, controls and compensates thermal errors of CNC machine tools effectively. For one thing, a model of thermal errors of the motorized spindle is established by means of Fourierism law and Newton cooling formula; For another thing, the compensation relationship between thermal errors of the spindle and various kinematic axes is got based on the differential coefficient of homogeneous transformation an matrixes; Lastly, as for thermal errors, a measure method by differential capacitance sensor and realization of the compensation in the machining process are described.IIThe outcome of this research had high value for the development of high performance machine tools, and the methods proposed in the paper were also suitable for the other similar 5-axis and high speed machine tools.Key Words：5-axis; CNC Machine Tools; Optimization; Error Compensation; 840D31目录摘要IAbstractII1 制造业与五轴11.1 课题背景与意义21.2 对优化研究的过程31.3 优化的发展方向31.4 本论文的主要研究工作42 VMC650mu型机床简介52.1 机械结构介绍52.2 数控系统介绍82.2.1 数字控制单元92.2.2 操作显示单元92.3 插补技术的发展历程及趋势93 数控机床的驱动优化方法113.1 数控驱动系统优化113.1.1 驱动优化的原理与方法114 五轴联动机床的坐标轴误差补偿与优化134.1 五轴联动机床坐标轴优化134.1.2 检测步骤与计算方法18结论24致谢25参考文献26沈阳工学院毕业设计说明书1 制造业与五轴当今世界正处于现代制造业蓬勃发展时代，数控机床，特别是高、精的数控机床是实现先进技术的重要因素。随着加工工艺的日益精细和复杂，原有的三坐标联动数控机床的工作台在面对更高的要求，更精细的精密、超精密以及纳米越显乏力，因此，开发出新的加工方式的加工机床成为发展方向。面对工业需要，在三轴联动机床的工作台上再增加一个具有两个自由度的数控回装工作台，将其安装在原有的工作台上，与原有的工作台成为一个整体，成为一个多自由度的回转工作台，再通过对数控系统的升级（不属于本设计范畴），使该机床成为五轴联动的数控机床。五轴联动数控机床的出现，推动了世界制造业的迅速发展，它不仅科技含量高、精密度高，而且可用于加工复杂曲面，它对一个国家的航空、航天、军事、科研、精密器械、高精医疗设备等等行业，有着举足轻重的影响力。五轴联动数控机床是在三个平动轴基础上增加了两个转动轴，这使它加工方式灵活多样：对于直纹面类零件，可采用侧铣方式一刀成型；对一般立体型面特别是较为平坦的大型表面，可用大直径端铣刀端面贴近表面进行加工；在某些加工场合，可采用较大尺寸的刀具避开干涉进行加工。在一台机床上利用一次装夹完成大部分或全部切削加工，以保证工件的位置精度，提高加工效率。1.1 课题背景与意义随着现代制造业的发展，装备制造业对机床的加工提出了更过更高的加工要求，而数控机床是装备制造业的重要组成部分，特别是四轴、五轴联动的加工中心。航空方面，航空工业对精度的要求很一直不断提高，因为采用高精度的零部件，可以有效的提高飞机的可靠性和安全性；航海方面，船舶的主要常规动力仍然是柴油机，对于核动力舰船，其辅助动力源也是柴油机，所以柴油机的质量好坏将直接影响船舶行业的竞争能力，而质量又取决于精度；在生产方面，我国印刷业一般印刷能力过剩，高档精美彩色印刷能力不足，这就要提高对印刷质量有直接影响的零部件的加工和装配质量，而滚筒就是对印刷质量有直接影响。五轴联动数控机床是一种科技含量高，精密度高专门用于加工复杂曲面的机床，这种机床系统对国家的航空、航天、军事、科研、精密器械、高精医疗设备等等行业，有着举足轻重的影响力，堪称“制造业之灵魂”。而提高五轴联动数控机床的科技含量，精密度的重要手段之一就是研究工作台的精密度。不断提高回转工作台工作性能，如由于联动轴数增多，各轴的控制存在强耦合性，因此各轴的定位误差补偿也更是十分的复杂；在切削加工过程中主轴温升过高，对电主轴的动态特性、刚性及热变形特性等对机床的刚性和热稳定性都有相当程度影响。因此，有必要对五轴联动机床动态特性的影响因素有着深入的了解，并找到有效的方法对机床进行系统的误差补偿和优化，才能在实质上提高我国五轴联动数控机床的整体水平，使我国装备制造业得到长足发展。1.2 对优化研究的过程国外对机床加工优化的研究起步较早，大约开始于1950年后。经过60年的的发展，目前，德国、荷兰以及日本的超精密加工数控机床技术处于世界先进水平。1977年Schultschick用矢量表达法建立了三轴坐标锉床的空间误差模型。1986年Ferreira和Liu做出了一种基于刚体运动学和小角度误差假设的三轴机床几何误差的解析二次型模型。Anjanappa开发了一种运动模型，可以合成立式车削加工中心的所有几何误差。同年北京机床研究所开展了机床热误差的补偿研究和坐标测量机的补偿研究17-19。1992年Chen12等人在研究中排除了刚体运动的假设，对非刚体误差进行补偿。Lin和Ehmaim在1993年提出了一种直接空间误差解析方法13，评价多轴机床工件位置和方向误差。美国SMS公司在1996年同密西根大学一起研制和开发了集热误差、几何误差和切削力误差为一体的误差补偿系统，并成功地实施于该公司生产的双主轴数控车床上。美国密歇根大学这几年还为美国波音飞机制造公司的一些加工设备实施了误差补偿技术，假设了基于Kalman滤波参量估计的动态自回归模型，此模型是根据在不同的工况下自适应修正模型参数，有效预测热误差，极大的提高了模型的鲁棒性14-15。1.3 优化的发展方向机床的优化研究进过几十年的进步，目前有以下是几个发展方向22-23：（l）实时误差补偿和优化。目前，大多的补偿方法为离线的方式，它假定预先测量得到的误差在一段时间内是不变的，或者变化很小，故其不考虑那些随机的误差。（2）稳定的环境。忧患和误差补偿过程中大多测量设备对环境有一定的要求，温度，空气以及振动等，故如能在恒定的温度，含较少颗粒物的空气以及一定振动幅度下的环境中加工，必能提高零部件的加工精度。（3）误差补偿和优化软件的开发。功能完善的软件可以极大的节约实际操作过程中的时间，且方便、易用，节省劳动力，为数控机床的进一步自动化提供了有力的保证。1.4 本论文的主要研究工作本论文先总结归纳了数控机床普遍所需要做的优化和误差方法，并且重点研究了五轴联动机床的误差补偿和优化方法，总结归纳了针对西门子840D数控系统驱动优化的方法，以及大多数机床都需要做的基本的几种误差的补偿方法；并以VMC0656mu型五轴联动数控机床为例讨论了同步龙门轴的调整过程以及相应的系统参数设置方法，并结合具体的参数值对工作过程进行了描述；其次，阐述了五轴联动机床的圆度测试方法，对可能出现的测试结果进行了细致分析，并提出了具体解决方案；最后，在对回转轴心误差讨论的基础之上，给出了具体的检测步骤、计算方发以及相应的机床数据。在对电主轴热源分析的的基础上，对电主轴模型进行了合理简化，通过傅里叶定律和牛顿冷却公式建立了电主轴的热误差模型；利用齐次变换矩阵对位置误差和姿态误差进行了合并，得到了热误差的传递模型；借助刀具坐标系和工件坐标系之间齐次变换矩阵的微分，得到了主轴热误差量与各个运动轴之间的补偿关系。通过该补偿关系和热误差量即可得到五轴联动数控机床的补偿运动。最后，阐述了利用差动式电容位移传感器测量电主轴热误差量的方法，以及现场加工过程中热误差补偿的实现。最后，对本论文中所做的工作进行了总结，并对其中存在的不足和有待完善之处进行了剖析。 2 VMC650mu型机床简介 VMC650mu高速五轴加工中心（如图2.1所示）主要用于加工型腔模、压铸模、铸模、深拉模和冲压模等各类模具，工件可以在一次装夹后自动连续完成多个平面的高速铣、镗、钻、铰、攻丝等多种加工工序，可以加工叶轮、叶片等具有复杂曲面的零件。它不仅具有在单位时间内实现高速切削的性能，而且可使被加工零件获得高精度和高表面光洁度，在某些工艺上可实现以铣代磨。图2.1 VMC650mu型加工中心VMC650mu五轴加工中心采用门式框架结构，整机有很好的动、静刚度。机床主要部件经有限元分析，结构合理，有很好动态性能。整机全封全防，切削采用微量润滑技术（MQL），通过电主轴油雾分配器将油雾均匀混合，通过主轴前端喷嘴，直接喷向加工区域，冷却润滑效果好，并配有油雾吸收装置，安全环保。快移速度可达40m/min，加速度达到1g，能高速、高精地加工复杂曲面。标配BLUM刀具检测装置，可以在线检测刀具磨损、折断等故障，提高加工精度，避免更大的损失。2.1 机械结构介绍在机床选配数控系统和驱动系统时时，要根据设计机床的伺服轴的数量和各轴的性能指标来选择，如进给轴的最高速度、加速度、主轴的功率和调速范围以及机床实际应用条件，如切削的材料、加工工艺参数、使用的条件以及机床传动系统的丝杠与伺服电机转子的惯量匹配。如果伺服电机选型不合理，可能导致伺服电机长期运行在过载状态下，最终导致伺服电机的损坏或者机床的加速特性不能达到设计指标的要求。表2.1中列出了VMC650mu型加工中心的主要参数。表2.1 VMC650mu型加工中心的主要参数项目单位VMC650mu工作台长X宽mm900X600台面直径mm400摆动角度120转动角度n X360摆动速度rpm20转动速度rpm25摆动/转动精度arcsec5工作范围Xmm600Y mm560Z mm450轴移动X，Y，Z轴加速度m/s210X，Y，Z轴快移速度m/min40精度定位精度X/Y/Z 轴mm0.008重复定位精度X/Y/Z 轴mm0.005主轴形式Fischer电主轴最大速度 max.rpm24000最大功率（100%/60%）kW29/32最大扭矩（100%/60%）Nm67/75主轴锥孔HSK 63 A 数控系统Siemens 840DPick-up刀库刀具数量20锥柄形式HSK 63A 刀具直径（满刀/邻位空刀）mm75/120最大刀具长度mm250最大刀具重量8换刀时间T-T/C-Cs4-6外冷微量润滑中心标准配置侧面可选配置冷却液中心可选配置侧面可选配置外观尺寸长X宽X高mm3560 X 2394 X 3000（1）床身立柱结构机床的床身和立柱一起形成“U”字型结构。床身采用整体床身，HT300树脂砂铸造，前方排屑，该床身不仅是整个机床别的部件的支撑体，还是整个机床搬运过程中的支撑体；立柱内侧采用了蜂窝状的筋板布置，和“十”字型筋板相比，在重量仅增加15%的情况下，使立柱的防扭刚性增强了30%，容许较大的负荷，并能长期维持高精度，有出色的高速性，维护保养非常简便。滚珠丝杠（直径40mm，螺距20mm）轴端与交流伺服电机驱动轴用柔性联轴器相连接。连接2个滚珠丝杠螺母的丝母座分别对称安装在横梁的两侧，交流伺服电机直接驱动滚珠丝杠，使横梁沿Y向导轨作直线运动。进给速度无级调速，最大进给速度为40m/min，快速移动速度为40m/min。（2）驱动系统结构滚珠丝杠（直径40mm，螺距20mm）轴端与交流伺服电机驱动轴用柔性联轴器相连接。连接2个滚珠丝杠螺母的丝母座分别对称安装在X轴滑板上，交流伺服电机直接驱动滚珠丝杠，使X轴滑板沿X向导轨作直线运动。进给速度无级调速，最大进给速度为40m/min，快速移动速度为40m/min。机床的Y向运动为主轴箱（Y轴滑板）沿安装在X轴滑板上的两条Y向导轨上、下移动，Y向导轨亦为THK的直线导轨。Y轴滚珠丝杠分别排列在两条Y向导轨的外侧，丝杠两端轴承采用“固定-支撑”的形式。两套丝杠驱动系统各配有一绝对式光栅尺，形成闭环检测系统，以提高坐标定位精度。滚珠丝杠（直径40mm，螺距20mm）轴端与交流伺服电机驱动轴用柔性联轴器相连接。连接2个滚珠丝杠螺母的丝母座分别对称安装在Y轴滑板上，交流伺服电机直接驱动滚珠丝杠，使主轴箱沿Y向导轨作直线运动。进给速度无级调速，最大进给速度为40m/min，快速移动速度为40m/min。（3）电主轴主轴采用Fischer专为模具行业开发的电主轴，最高转速24000rpm，锥孔形式HSK63A，最大刀具夹紧力为18000N；刀具松夹压力：min.80bar，max.100bar；刀具夹紧压力：最小10bar最大40bar。（4）刀库刀库选用台湾专业刀库生产厂家的圆盘式刀库，刀库主要由刀盘和机械手两部分组成，刀具形式为DIN69893-A，最多可配备20把刀具，刀盘的旋转采用变频器控制，机械手换刀装置采用压缩空气为动力。（5）测量系统结构直线测量机床的各个直线轴X、Y、Z都采用HEIDENHAIN绝对光栅尺进行位置精度的测量，其中X和Y轴选用LC183，Z轴选用LC483。刀具检测机床的刀具检测采用了BLUM公司的镭射控制系统NT连体精密型（标准配置），该道具检测装置能进行刀具破损检测、刀具设定刀具长度、半径、偏摆等的设定、单一切刃监控、刀具形状监控、机床轴的温升变位补偿等功能。（6）液压系统液压系统主要用来给主轴松卡刀和工作台各轴的松开和卡紧。系统采用集中化的管理，便于观测和系统的调试，主要原件用Rexroth的产品，性能可靠。介质采用46号液压油。（7）气动系统气动系统主要给机床的光栅尺、工作台、顶端防护气缸、刀库气缸、刀具检测及刀具冷却和油气润滑系统等吹气，进气的压力设定为0.6MPa。（8）润滑系统润滑系统包括采用集中润滑，对各个轴润滑点定期的注入润滑脂，介质采用NLGI 00号锂基润滑脂的脂润滑系统和主轴轴承采用油气润滑系统，介质采用ISO VG32的油液的主轴轴承润滑。2.2 数控系统介绍机床CNC数控系统采用德国SIEMENS公司生产的SINUMERIK 840D数控系统，系统能适应高效率、高速，高精度的机械加工，且具有操作方便、功能齐全、可靠性高等优点16。SINUMERIK 840D 数控系统是由数字控制单元（NCU）、驱动单元、操作显示单元三部分组成。 2.2.1 数字控制单元 SINUMERIK 840D的数控单元被称为NCU（Numenrical Controlunit）单元由数字控制核心（NCK）和可编程逻辑控制器（PLC）两部分组成。NCU负责NC所有的功能，机床的逻辑控制，还有和PCU的通讯。它由一个COM CPU板. 一个PLC CPU板和一个DRIVE板组成。根据选用硬件如CPU芯片等和功能配置的不同，NCU分为NCU561.2，NCU571.2， NCU572.2，NCU573.2（12轴），NCU573.2（31轴）等若干种28-31。2.2.2 操作显示单元操作显示单元负责NC数据的输入和显示，以及实现对机床的手动操作和编写加工程序等功能。操作显示单元由一个相当于工控计算机的设备PCU50.3、操作面板（OP）机床控制面板（MCP）三部分组成。对于SINUMERIK 840D应用了MPI（Multiple Point Interface）总线技术，传输速率为187.5k/秒，OP单元为这个总线构成的网络中的一个节点。为提高人机交互的效率，又有OPI（Operator PanelInterface）总线，它的传输速率为1.5M/秒。 2.3 插补技术的发展历程及趋势机床上进行轮廓加工的各种工件，大部分由直线和圆弧这种简单、基本的曲线构成。若加工的轮廓由其他二次曲线和高次曲线组成，也可以采用一小段直线或圆弧来拟合，就可满足精度要求（也有需要抛物线和高次曲线拟合的情况）。实际应用中，常采用小段直线或圆弧去进行拟合就可满足精度要求（也有要抛物线和高次曲线拟合的情况），插补算法的优劣，一直是评CNC控制系统性能的重要指标。它包括经典插补技术与智能插补技术34-35。（l）经典插补算法这类算法主要是针对直线、圆弧、抛物线、螺旋线的插补，插补的方法有脉冲增量插补和数据采样插补两种，经典插补算法已经十分成熟，但近年来也有针对这类方法的改进性研究。（2）智能插补算法由于神经网络技术的发展，利用基于三层前向神经网络的插补算法也有报导，具有逼近任意非线性函数的能力，使得采用神经网络进行非线性轮廓插补成为可能。神经网络具有并行处理的特点，能大幅度缩短插补周期，提高插补精度。3 数控机床的驱动优化方法3.1 数控驱动系统优化数控系统的主要功能是把编制的NC程序转变成相应的轴的机械位移，在轴位移的过程中，好的动态特性和稳定性是驱动稳定高效运行的关键。特别在模具的高速加工中，要求系统有良好的动态和静态特性。一般在机床调试时系统会给定一组相应轴的默认参数，但这些参数一般是为了保证系统正常运行的比较保守参数，驱动优化的目的是在现有的基础上尽可能提高系统的动态性。3.1.1 驱动优化的原理与方法驱动轴是由电流环，速度环和位置环组成，一般来说位置环是一个简单的比例调节器，因而调节起来比较简单，速度环和电流环是由比例积分调节器组成，是驱动的核心部分，因而速度环又是驱动优化的调整重点。驱动优化的关键是提高速度环的动态特性，而提高动态特性的关键又在于提高速度环比例环节的增益，降低积分环节的时间常数。图3.1 MD 1407值不同时的比较为提高速度环的特性，需要优化速度环内的性能，通过增加速度环内电流环给定滤波器，就能达到这个目的。如果采用速度环给定滤波器，只能对提高位置环性能有效果，而对速度环本身没有影响。因而驱动优化时使用最多的就是电流环滤波器。4 五轴联动机床的坐标轴误差补偿与优化4.1 五轴联动机床坐标轴优化4.1.1回转轴心误差由于制造、装配等原因通常会造成理论回转轴心与实际回转轴心不重合，从而产生回转轴心误差。如图4.1-4.4所示，假定实际回转轴和理论回转轴仍旧平行（即不相交或空间交叉），理论回转轴与实际回转轴在水平方向上的差值设为p，在竖直方向上的差值设为q。图中所示为水平和竖直方向上的正方向，p、q取正值；若为反方向，则p、q取负值。图4.1 X向机床示意图实际回转轴心F理论回转轴心GZYqpdc主轴端面图4.2 X向机床参数示意图图4.3 Y向机床示意图B轴理论回转轴心GB轴实际回转轴心F主轴端面ZYqpdc图4.4 Y向机床参数示意图如图4.5所示，当机床旋转该角度时，回转的轴心由理论轴心变成实际轴心；当机床转动角度，进行千分表的校正时，实际轴心A运动距离为按照理论轴心计算出来的距离（即保证测量球心M值不变，理论轴心的插补值deltaZ和deltaX），并摆动响应角度时，刀头或测量球运动到的位置就与理论计算值有差值。实际回转轴心F理论回转轴心Gpq主轴端面测量球心M图4.5 回转轴心误差示意图以上我们对差值p、q进行了定义，下面就分别讨论逆时针转角和顺时针转角情况下的差值。(1) 转角为逆时针方向如图4.11所示，设检测时初始设定的球心（理论计算出的测量球中心位置）为M点，其坐标值为（0，0）；图中虚线显示的是由理论轴心计算出来的插补距离，理论情况下测量球的球心始终位于M点不变，实际转动A轴或B轴的时候，实际轴心运动到图中F1点处，测量球实际球心的位置为图中O1点。O1MGFG1F1图4.11 实际轴心插补坐标系正方向如图中箭头所示，根据平面几何关系的，可得O1点坐标 (4-1) (4-2)假设O1、O点在水平方向上的差值为X1，在竖直方向上的差值为Y1，X1、Y1的数值和正负号可以由千分表读出。测量时在转动角度为0时，以及刀轴处于竖直方向时，进行千分表的校零。因此，由式(4-1)可得(4-2) 对式(4-2)进行整理，可得 (4-3)在式(4-3)中的第一个等式两边同时乘以，在式(4-4)中的第二个等式两边同时乘以，可得 (4-4)将式(4-5)中的两个等式左右两边分别相加并进行整理，可得 (4-5)进而，由式(4-5)可得由千分表的读数推算，O1和M之间的水平误差值设为X1，竖直误差值设为Y1，则同样可以得到式4.1.2 检测步骤与计算方法在对差值进行检测和计算时，需要分别在摆动机床A轴某一角度和摆动机床B轴某一角度的情况下来完成。因此，下面分别对这两种情况下误差的检测进行讨论。(1) 只转动A角的误差检测此种情况下的示意图如图4.18和图4.19所示，由4.3.3小节的结果可得误差为其中，pa表示Y方向的误差，qa为Z方向的误差。另外，这里b影响的值为200（即A轴到A轴端面的距离）。由表4.1中机床结构参数可知，pa影响的是机床结构参数c，qa影响的是机床结构参数d。由于pa、qa是差值，所以修正这些机床结构参数时只需要将原有参数加上带有符号的修正量pa、qa即可。F图4.5 机床A轴方向投影示意图F图4.6 转动A角的回转轴心误差示意图(2) 只转动B角的误差检测此种情况下的示意图如图4.4和图4.21所示，由4.3.3小节的结果可得误差为其中，表示X方向的误差，表示在Z方向上的误差；由表1、图4.16以及图4.17中机床结构参数分析可知，影响的是机床结构参数b，影响的是机床结构参数a和d。其中，参数d可以由只转动A角进行修正，所以这里可以确定对于a的修正量。由于pb、qb是差值，所以修正这些机床结构参数时只需要将原有参数加上带有符号的修正量pb、qb即可。F图4.7 机床B轴方向投影示意图角度为负角度为0ABA2ZB2XO2O1M角度为正A1B1图4.8 转动B角的回转轴心误差示意图在得到了转动A角和转动B角时的误差检测结果之后，我们就可以给出如下误差检测步骤。确定千分表检测方式和旋项；检验方式：检验用2只千分表共同测量，千分表摆放位置如图4.22所示。F图4.9 千分表检验方式示意图旋转方向：检棒旋转方向的定义如图4.18所示；F图4.110 检棒旋转的正方向选择千分表摆布位置图；使机床不摆动角度，进行千分表的校零；只摆动机床A轴至某一角度，记录千分表的变化值和变化趋势；代入式(4-24)计算误差值；再次回复机床零点位置，进行千分表校零；只摆动机床B轴至某一角度，记录千分表的变化值和变化趋势；代入式(4-25)计算误差值。在上述过程中，上摆动角度记录千分表变化值和变化趋势的工作可以重复进行，以便获取更多数据。通过以上误差检测步骤，可得修正后的机床结构参数如表4.2所示。表4.2 修正的机床结构参数参数参数值说明aqb-qa+a= qb-qaA、B旋转中心在笛卡尔坐标系下Z方向的距离bb+pb= pbA、B旋转中心在笛卡尔坐标系下X方向的距离cc+pa= paA、B旋转中心在笛卡尔坐标系下Y方向的距离dd+qa= 200+qaA轴旋转中心到机床主轴端面的距离（Z）利用上述得到的误差检测与计算方法，可以得到如图4.24-4.25所示的实验结果。不难发现，经过优化之后，实际的运动精度得到了大幅度的改善。F补偿前补偿后图4.20 A轴实验结果22F补偿前补偿后图4.21 B轴实验结果23结论这次设计我完成了五轴联动机床的误差优化研究的结构设计。我首先查找了各种机床使用手册，机床电路图，以便理解课题，整理自己的思路及设计步骤；其次选择自己会的切合适的绘图软件，并在绘图过程中不断根据手册进行测绘以绘制准确的机床图纸；然后，按老师的指导，确定结构方案并进行相关参数计算、校核；最后，完成整个结构的三维造型和装配，完成设计研究，并整理成报告书，本设计方案中探讨的五轴联动数控机床的误差补偿与优化的方法，构成了较为完善的误差补偿体系，能够较大的提高机床的加工精度，为数控机床的误差补偿提供了理论指导。但是，本文中理论的实验环境是基于是西门子的840D数控系统的，对于能否适用其它品牌的数控还有待进一步证实。相信经过不断地改进误差补偿和优化方法，国产的数控机床产品必定会向“高精型”的目标大步挺进。随着产品不断地更新，功能越来越齐全、精度的不断提高，国产的机床品牌必将在国际上占有重要地位！致谢历时四月，在论文的写作过程中遇到了无数的困难和障碍，万幸的是同学总是愿意陪我寻找论文依据，老师们耐心指导并指引我参考哪些文献，我终于完成了自己的论文设计。尤其要感谢我的论文指导老师刘永吉教师，老是对我进行了耐心的指导和帮助，不厌其烦的对我提出进行论文的修改和改进。还有我的专业老师张海华，他在我完成报告书的过程中不厌其烦的指导我如何完成，不断的给我思路，如果没有老师的帮助，真不知道自己的报告会是什么乱样子。另外，在校图书馆查找资料的时候，图书馆的老师也给我提供了很多方面的支持与帮助。真是感恩有您们。再次向帮助和指导过我的各位老师表示最衷心的感谢！另外，感谢这篇论文所涉及到的各位学者。在本文我引用了数位学者的研究文献，如果没有各位学者各位前辈的研究成果的帮助和启发，我将很难完成本篇论文的写作。并感谢我的同学和朋友，在我写论文的过程中给予我各种素材，还在论文的撰写和排版过程中提供热情的指明。但是，由于我的学术水平有限，对此篇论文存在的不足之处，恳请各位老师和学友批评和指正！25参考文献1 李佳特NC技术发展的历史回顾与展望J世界制造技术与装各市场，2000，2:29-34.2 赵辉数控机床的发展历史及其技术的发展趋势J. 内蒙古科技与经济，2007，8:51.3ARONSONRB. Pushing for PreeisionJ.Manufacturing Engineering，1998，120(l):48，5，52-54.4 LIMEM，MENQeH，DAVIDWY. Precision machining of complex surfacesC.Proceed in of the 1995 ASME International Mechanical Engineering Congress and Exposition，San Francisco，California，Nov 12-17，1995:157-173.5 LIMEM，MENQCH，DAVIDWY .Integrated Planning for Precision machining of complex surfaces-III: compensation of dimensional errors C.International Journal of Machine Tools and Manufacture，1997，37(9):1313-1326.6 杜正春. 锉削主轴同转误差测量与补偿系统研究D.南京:东南大学，2000:1-127 BLAEDELKL. Error reduction technology of machine toolsM. Machine Tool Accurace,1980，5:9-12.8 BREEV B T. The influence of heat generation in grinding mac

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