【摘 要】
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五轴数控机床是一种专门用于加工复杂曲面的先进制造装备。在针对复杂曲面的五轴数控机床高速高精度联动加工过程中,由各运动轴伺服控制系统跟踪时延及其差异导致的控制系统误差是影响加工精度的主要因素之一。针对五轴机床多轴联动过程中的控制系统误差进行综合检测,或称之为五轴机床动态控制精度检测,对曲面加工精度的评估分析和控制系统误差及其抑制的研究具有重要的意义,近年来愈发受到学术界与产业界的广泛关注。对动态控制
【基金项目】
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国家科技重大专项04“五轴联动数控机床精度测评技术与标准”(课题编号:2014ZX04014-031); 国家科技重大专项04“国产高档数控机床与数控系统在飞机筋肋梁等加工单元中的应用”(课题编号:2015ZX04001002); 国家科技重大专项04“用于钛合金壁板、复合材料等典型零件加工的高速立式五轴数控机床研制及自动化生产线示范应用”(课题编号:2017ZX04002001)
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五轴数控机床是一种专门用于加工复杂曲面的先进制造装备。在针对复杂曲面的五轴数控机床高速高精度联动加工过程中,由各运动轴伺服控制系统跟踪时延及其差异导致的控制系统误差是影响加工精度的主要因素之一。针对五轴机床多轴联动过程中的控制系统误差进行综合检测,或称之为五轴机床动态控制精度检测,对曲面加工精度的评估分析和控制系统误差及其抑制的研究具有重要的意义,近年来愈发受到学术界与产业界的广泛关注。对动态控制精度检测过程中的各轴运动进行规划(简称动态控制精度检测规划或检测规划)是决定动态控制精度检测性能的关键步骤。对于动态控制精度检测规划,现行的国际标准和现有研究中已提供了多种可用的检测规划实例,但依然存在规划方法与检测性能之间的关系尚不明确、检测规划缺乏理论依据、对动态控制精度的反映能力可能不足等问题,具有进一步研究探索的空间。本课题针对复杂曲面五轴加工过程中的控制系统误差,开展动态控制精度检测规划研究,以两种常用的五轴机床动态控制精度检测方法——基于球杆仪的圆弧形检测和RTCP(Rotation Tool Centre Point)检测作为研究对象,以提升动态控制精度检测性能为目标,进行以下四个方面的研究工作:(1)针对动态控制精度检测的规划方法及其与检测性能之间的关系开展研究,揭示检测规划方法复杂程度与检测性能之间的相关性。以RTCP检测规划作为示例,从规划方法的角度对现有的检测规划实例进行梳理归纳。针对不同规划方法得到的RTCP检测规划,通过仿真和实验比较其动态控制精度检测性能,指出相较于简单指令规划,包含复杂联动的自由规划方法,如基于特定点位的样条规划、函数规划等,能够使动态控制精度检测具有更强的检测性能,规划方法的复杂程度与动态控制精度检测性能呈现较为明显的正相关性。(2)针对现有的圆弧形检测规划实例存在的五轴联动模式较为单一、对复杂运动状态下的动态控制精度检测性能可能不足等问题,研究引入复杂多轴联动的圆弧形检测规划方法。在检测规划中引入包含双旋转轴复杂联动的8字形运动,使两个旋转轴在检测过程中保持复杂同步运动,进而在检测全过程中实现五轴复杂联动。通过仿真和实验验证,相较于现有的圆弧形检测规划实例,本课题提出的包含复杂五轴联动的Circle-8圆弧形检测规划体现出动态控制精度检测性能优势。(3)针对现有的RTCP检测规划实例存在的缺乏理论依据、难以高效反映复杂联动加工过程中的动态控制精度等问题,提出基于改进型遗传算法优化关键检测点位的RTCP检测规划方法。建立动态控制精度主要影响因素到机床整体控制系统误差的映射关系,并定义控制系统误差观测矩阵及基于奇异值的矩阵可观测度指标。建立改进型遗传算法优化模型,以误差观测矩阵可观测度作为优化指标,优化得到关键检测点位和运动方向,并利用样条插值法生成RTCP检测规划。通过仿真和实验验证,根据本课题所提出的针对关键点位优化的规划方法,规划得到的RTCP检测相较于现有的检测规划实例体现更强的动态控制精度检测性能。(4)针对基于复合三角函数的RTCP检测规划存在的参数设定与检测性能之间的关系尚不明确、参数组合选取缺乏依据等问题,开展适用于检测规划的三角函数参数组合选取研究。对规划过程中涉及的可变参数进行整理,分析各参数变化对旋转轴运动造成的影响,并整理出可用于规划RTCP检测的参数组合。通过仿真比较,分析并归纳各参数变化对动态控制精度检测能力的影响,获得能够提供较强动态控制精度检测性能的三角函数参数组合。通过仿真和实验验证,由本课题研究获得的参数组合规划得到的RTCP检测体现出动态控制精度检测性能优势。
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