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一种多误差因素影响下的空间误差建模方法

耿瑞汉 陶浩浩 李同杰 范晋伟 黄成

耿瑞汉, 陶浩浩, 李同杰, 范晋伟, 黄成. 一种多误差因素影响下的空间误差建模方法[J]. 制造技术与机床, 2024, (4): 140-147. doi: 10.19287/j.mtmt.1005-2402.2024.04.022
引用本文: 耿瑞汉, 陶浩浩, 李同杰, 范晋伟, 黄成. 一种多误差因素影响下的空间误差建模方法[J]. 制造技术与机床, 2024, (4): 140-147. doi: 10.19287/j.mtmt.1005-2402.2024.04.022
GENG Ruihan, TAO Haohao, LI Tongjie, FAN Jinwei, HUANG Cheng. A spatial error modeling method under the influence of multiple error factors[J]. Manufacturing Technology & Machine Tool, 2024, (4): 140-147. doi: 10.19287/j.mtmt.1005-2402.2024.04.022
Citation: GENG Ruihan, TAO Haohao, LI Tongjie, FAN Jinwei, HUANG Cheng. A spatial error modeling method under the influence of multiple error factors[J]. Manufacturing Technology & Machine Tool, 2024, (4): 140-147. doi: 10.19287/j.mtmt.1005-2402.2024.04.022

一种多误差因素影响下的空间误差建模方法

doi: 10.19287/j.mtmt.1005-2402.2024.04.022
基金项目: 安徽省自然科学基金项目(2108085ME167);安徽省高等学校科学研究项目(2023AH051871);国家自然科学基金(51775010);安徽省科技重大专项资助项目(201903a02050014)
详细信息
    作者简介:

    耿瑞汉,男,1998年生,硕士研究生,研究方向为数控机床全数字化精度优化设计、精密及超精密加工。E-mail:1621193703@qq.com

    通讯作者:

    李同杰,男,1980年生,教授,博士,研究方向为数控机床精度提升、齿轮传动动力学优化设计。E-mail: litongjie2000@163.com

  • 中图分类号: TH161+.5

A spatial error modeling method under the influence of multiple error factors

  • 摘要: 目前,关于机床空间误差建模的研究较少考虑由于机床自重引起刀尖点处的偏移量,导致空间误差模型的预测精度与实际结果存在偏差。为了解决上述问题,文章提出一种综合考虑几何误差和机床自重引起刀尖点处偏移量的空间误差建模方法。首先,基于多体系统理论和齐次坐标变换原理建立机床空间误差模型,其次利用正交实验法选出25组加工点,通过仿真分析得到样本点处机床自重引起的刀尖点处偏移量,并通过拟合建立刀尖点偏移量模型,揭示了刀尖点偏移量随加工位置的变化规律,从而建立了一种综合考虑几何误差和机床自重引起刀尖点处偏移量的空间误差模型,最终以“S”形试件为研究对象,进行仿真分析和实验验证,通过对比预测结果和实验结果发现获得的“S”形试件的轮廓误差变化趋势基本相同,残差值较小且低于测量结果的10%,验证了该方法的正确性。该方法的核心思想适用于各类多轴机床。

     

  • 图  1  逻辑框架图

    图  2  LINEARMILL-600HD五轴机床结构示意图

    1—床身;2—X轴横梁;3—Y轴横梁;4—Z轴滑枕;5—A轴;6—C轴;W—工件;T—刀具。

    图  3  LINEARMILL-600HD五轴机床拓扑结构示意图

    图  4  三维模型导入

    图  5  添加边界条件

    图  6  机床自重引起的刀尖点处偏移量

    图  7  X方向上刀尖点处偏移量

    图  8  Y方向上刀尖点处偏移量

    图  9  Z方向上刀尖点处偏移量

    图  10  加工误差预测流程图

    图  11  “S”形试件的数控指令代码生成流程图

    图  12  “S”形试件轮廓度误差检测点位置

    图  13  “S”形试件实际加工现场

    图  14  “S”形试件的测量现场

    图  15  仿真和实验获得的“S”形试件在L1、L2和L3处的轮廓度误差

    表  1  加工位置坐标点 mm

    加工点 X Y Z 加工点 X Y Z
    1 120 100 100 14 360 400 500
    2 120 200 300 15 360 500 200
    3 120 300 500 16 480 100 300
    4 120 400 200 17 480 200 500
    5 120 500 400 18 480 300 200
    6 240 100 500 19 480 400 400
    7 240 200 200 20 480 500 100
    8 240 300 400 21 600 100 200
    9 240 400 100 22 600 200 400
    10 240 500 300 23 600 300 100
    11 360 100 400 24 600 400 300
    12 360 200 100 25 600 500 500
    13 360 300 300
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    表  2  刀尖点处偏移量 μm

    加工点 X Y Z 加工点 X Y Z
    1 8.369 7.338 1.208 14 8.375 7.393 1.387
    2 8.671 7.301 1.217 15 8.326 7.531 1.378
    3 8.142 7.342 1.293 16 8.379 7.352 1.298
    4 8.296 7.361 1.289 17 8.76 7.353 1.214
    5 8.363 7.306 1.289 18 8.789 7.547 1.289
    6 8.371 7.479 1.306 19 8.483 7.497 1.371
    7 8.32 7.584 1.286 20 8.736 7.441 1.391
    8 8.197 7.446 1.344 21 8.324 7.423 1.195
    9 8.716 7.413 1.295 22 8.682 7.226 1.207
    10 8.718 7.362 1.206 23 8.323 7.528 1.326
    11 8.753 7.351 1.339 24 8.355 7.314 1.292
    12 8.353 7.348 1.352 25 8.825 7.246 1.199
    13 8.572 7.807 1.399
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    表  3  LINEARMILL-600HD五轴数控机床主要技术参数

    机床配置 参数值
    工作台尺寸(宽×长)/(mm×mm) 600×600
    直线轴的行程(XYZ)/mm 6 000,5 000,5 000
    摆动轴行程(RcRa)/mm ±360°,±120°
    标准主轴转速/(r/min) 15 000
    直线轴快速运动速度/(r/min) ≥60
    直线轴切削进给速度/(m/min) ≥20
    直线轴直线加速度/(m/s2 ≥10
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    表  4  “S”形试件的尺寸和参数

    参数类型 参数值
    整体未加工尺寸/(mm×mm) 400×200
    “S”形试件外形尺寸/(mm×mm) 250×180
    方形基座高/mm 30
    “S”形缘条高/mm 40
    材料类型 2A12高强度铝合金
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    表  5  “S”形试件平均轮廓度误差对比

    检测线 平均轮廓度误差/mm 残差/mm
    仿真分析 实际测量
    L1 0.058 4 0.055 3 0.003 1
    L2 0.048 3 0.045 5 0.002 8
    L3 0.059 4 0.055 2 0.004 2
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  • 录用日期:  2024-01-11
  • 修回日期:  2023-12-19

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