博士学位论文
重型数控落地铣镗床综合误差补偿研究
RESEARCH ON SYNTHETICAL ERROR COMPENSATION OF HEAVY-DUTY NC FLOOR-TYPED MILLING AND BORING MACHINE TOOL
刘一磊
哈尔滨工业大学
2014年9月
国内图书分类号：TG502.13 国际图书分类号：621.01
学校代码：10213
密级：公开
工学博士学位论文
重型数控落地铣镗床综合误差补偿研究
博士研究生： 刘一磊 导 师： 高 栋教授 申请学位： 工学博士 学
科： 机械制造及其自动化
所 在 单 位： 机电工程学院 答 辩 日 期： 2014年9月 授予学位单位： 哈尔滨工业大学
Classified Index: TG502.13 U.D.C: 621.01
Dissertation for the Doctoral Degree in Engineering
RESEARCH ON SYNTHETICAL ERROR COMPENSATION OF HEAVY-DUTY NC FLOOR-TYPED MILLING AND BORING MACHINE TOOL
Candidate： Supervisor： Speciality： Affiliation: Date of Defence：
Liu Yilei Prof. Gao Dong
Mechanical Manufacturing and Automation
School of Mechatronics Engineering September, 2014
Academic Degree Applied for： Doctor of Engineering
Degree-Conferring-Institution： Harbin Institute of Technology
摘 要
摘 要
重型数控落地铣镗床具有开放式结构，适合大型零部件高精度平面和孔系的加工，但是精度不足限制了该机床的应用。针对该机床空间误差进行控制和补偿有着重要的现实意义和研究价值。然而对该类机床的精度检测和误差补偿技术的研究还不够。
本文首先对重型数控落地铣镗床进行了误差溯源分析，在提出了该机床的几何误差和热误差的耦合方式的基础上，建立了包含几何与热耦合误差和动态伺服误差的综合误差模型，并推导了机床误差敏感系数矩阵。
分析误差测量不确定度并提出测量精度保持方法。依据统计方法得到了激光跟踪仪测量要素的不确定度分布。通过实验研究得出了机床低温升时以热漂移误差为主要热误差形态的特性，建立了空间测量点热漂移误差模型，测量得出了机床重复定位误差的分布，综合跟踪仪和机床对测量不确定度的影响，依据Monte Carlo法评估了测量不确定度。为降低测量不确定度，优化了跟踪仪的测量站位，同时提出了工作空间分割和多站位测量方法，通过实验验证了上述方法对降低测量不确定度的有效性。
在分区测量空间误差的基础上辨识几何误差。依据误差敏感系数矩阵分析得到了空间误差对几何误差的敏感性以及机床空间尺寸（Y轴、W轴、Z轴坐标和刀具尺寸）对敏感性的影响规律。在此基础上提出了采用激光跟踪仪的四线制测量与空间点测量相结合的几何误差辨识方法。该方法引入了粒子群优化算法，辨识得到了垂直度误差、线性位移误差和转角误差。以激光干涉仪的测量结果为依据对比验证了上述误差辨识方法的有效性。
为辨识动态伺服误差建立了机床的跟随误差和圆轨迹轮廓误差模型。测量了机床X轴和Y轴联动的圆轨迹误差，分析得到圆轨迹误差随机床运动参数的变化规律，基于此变化规律研究了动态伺服误差和准静态误差的解耦方法。结合圆轨迹轮廓误差模型和解耦得到的动态伺服误差，辨识得到了机床运动轴的参数，通过试验验证了预测模型精度。
基于辨识得出的综合误差模型参数建立了误差模型，验证了综合误差模型预测精度，并着重开展了基于有限元方法（ANASYS软件）和实验方法的机床Z向空间误差溯源分析，建立了主轴箱体结构热变形的误差尺寸链，阐述了Z向热漂移误差的产生原因。针对热漂移误差设计开发了基于因瓦合金杆的热误差实时测量与补偿系统。
本文采用自主开发的适用于西门子数控系统的误差补偿器，补偿机床静态
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