基于并联动力头的五轴联动加工装备运动学标定技术基础

The 5-axis CNC machine tools integrated by a 3-DOF spindle head having one translation and two rotation movement capabilities have been found promising applications for high-speed machining of large structural components in aircraft industry. Kinematic calibration is an effective and economical way to enhance their geometric accuracy. This project investigates into the methodology for kinematic calibration of a prototype machine of this kind. The research contents include error modeling, error measurement, parameter identification and error compensation. A stand-by error compensation module will be developed on the basis of a CNC system with open architecture. Experiments will then be carried out to verify the correctness and effectiveness of the proposed approach. The outcome will lay a solid foundation for the use of this approach to the industrial implementation.

以1T2R(一平动二转动)三坐标并联动力头为核心部件构成的5轴联动数控机床是一种用于航空整体结构件高速加工的新型装备，在保证基础制造精度前提下，运动学标定是提高这类装备几何精度的有效手段。本项目以由这种动力头和X-Y平台组成的原型样机为对象，研究适合这类装备的运动学标定方法，包括计及全部几何误差源的误差建模、末端位姿精度检测、几何误差源辨识与末端位姿误差补偿的理论与方法，开发可与开放式数控系统集成的嵌入式误差补偿模块，并通过实验验证所提出理论与方法的正确性和有效性，旨在为提高这类新型装备的空间几何精度奠定重要的理论与技术基础。

本课题紧密结合并联结构主轴头工程应用中存在的可靠性与精度问题，研究一平动两转动并联动力头——A3头的机构分析、轨迹控制、运动学标定以及误差补偿方法。主要研究成果如下：.在并联动力头限位保护方法研究方面，以机构位置正、逆解分析为理论基础，以位姿判断简化算法为评判依据，提出一种基于现有数控系统软、硬件基础条件的A3并联动力头限位保护方法。仿真结果表明，限位范围可覆盖95%以上机构可达空间。.基于工控机和运动控制器Turbo PMAC搭建机床数控系统硬件平台,针对五轴混联机床的结构特点，开发后置处理功能、程序仿真功能、程序断点的保存与恢复功能等，完善了面向五轴加工的数控系统功能。基于三次均匀B样条曲线建立“S”型试件的三维模型，基于商用软件UG完成刀具轨迹规划，通过机床后置处理程序在五轴混联机床上进行了“S”型试件加工试切，验证了所开发的数控系统功能。.针对A3混联机床模型提出了二次插补的控制策略，弥补了混联机床传统插补算法的不足。将速度控制算法与二次插补综合考虑，推导了五阶段S曲线加减速控制算法。针对基于模型的误差补偿法存在的不足，提出一种基于网格的非模型误差补偿方法。.在误差测量位姿轨迹优选方法研究方面，通过灵敏度分析揭示各几何误差源对机构末端位姿误差数字特征的影响规律；基于最优化问题的思路，提出一种以灵敏度分析结果为评判依据的误差测量位姿轨迹优选模型，为测量位形优选提供重要理论依据。.在几何误差辨识与补偿方法研究方面，推导A3头基于距离误差的线性回归函数模型；基于主元分析思想，提出一种适用于并联动力头的以改善辨识矩阵性态来提高辨识算法鲁棒性的LS-PCA辨识算法。以天津大学自主研发的A3头样机为对象，开展运动学标定实验研究。实验结果表明，按照分层递阶的标定策略，经零点标定后刀具端点轨迹的圆度误差可由498μm减小至192μm；经球杆仪标定后刀具端点轨迹的圆度误差可进一步减小到55μm，由此证明了本文提出理论与方法的有效性。