数控机床加工缺陷成因的逆向追踪理论与实验研究

Machining disfigurement of CNC machine tools is the synthetical transfer result of every machine parts errors. It is a complex problem about how to converse tracing the main cause of the machine tools according to the disfigurement of machining part.Till now the study about such queston is nearly absence. Based on multi-body kinematic theory, this item mainly investigates the converse tracing theory and method of machining disfigurement according to machining bug on sample part which used in machine tools accuracy inspection. There are 3 key questions will be resolved:1.mechanism analyse, mathematics expression and classifing method for machining disfigurement; 2. Focus on the kinds of machining disfigurement which are not arosed by vibration, this item will bulit the machining disfigurement produce model of machine tools which servo movement performance be considered. 3. Reference the sensitivity analytic methods which are always used in robot studing, this item will study the converse tracing theory and method of machining disfigurement cause. The achievement of this item will help the machine tools manufacture not only to quickly detect and repair the disfigurement of the machine tools,but also to grasp the performance, improve the design of machine tools before the machine tools has been produded. Accordingly it will help our country have more new innovative machine tools to put in the market.

数控机床的加工缺陷是机床各组件误差综合传递作用的结果，如何根据被加工工件的加工缺陷来逆向追踪出造成该缺陷的机床主要误差成因是一个复杂的问题，目前针对该问题的研究尚未全面展开。本课题以多体系统运动学理论为基础，着重研究数控机床验收用样件加工缺陷的逆向追踪理论和方法，拟重点解决以下三个核心问题：1.加工缺陷的产生机理分析、数学表征与分类；2.将研究精力集中在非振动引起的工件加工精度缺陷，以多体系统运动学理论和伺服系统建模方法为基础，推导建立考虑伺服系统运动特性的机床加工缺陷生成模型；3.借鉴机器人等其它领域的敏感度分析方法，研究机床加工缺陷成因的逆向追踪理论和方法。本课题的研究成果，不仅有助于数控机床研制单位快速、准确的找出机床加工缺陷的主要成因，排除故障，而且会促进其提前把握机床运行状况、改进机床设计，进而促使我国有更多型号的自主创新高档数控机床产品早日投放市场。

五坐标机床的加工精度一直是机床领域研究的重点问题，加工误差溯源方法是其中的一项重要研究内容。由成都飞机工业（集团）有限公司提出的“S”形样件较已有的检测试件更适用于检测机床的五坐标联动性能，已获得中美两国发明专利授权。该样件具有航空薄壁件的特征，加工面的的角度不规则变化，在航空业机床检测与验收领域中被广泛推广。本项目旨在通过“S”形样件的加工缺陷及误差，溯源造成加工误差的主要原因，从而根据“S”形样件的加工误差快速定位误差产生原因。基于多体系统运动学理论阐述了数控机床通用运动学模型建立方法，推导了机床上任意点位置、姿态表达式。在运动学模型的基础上，建立五坐标机床几何误差辨识模型。尤其对旋转轴C轴和摆轴B轴的几何误差辨识方法进行了详细阐述。基于微分几何理论建立了“S”形样件的数学模型，并对样件缘条的几何特性进行详细分析，有助于把握样件的加工特性，同时推导了样件的理论加工误差。根据样件的数学模型计算刀具路径及数控加工代码，进而推导实际切削曲面方程。提出了“S”形缘条侧铣加工误差的计算方法，并建立法向加工误差计算模型。将全局灵敏度分析方法引入机床加工误差模型的灵敏度分析中，利用该方法可以计算机床所有几何误差在整个定义域内对加工误差共同作用的影响程度。建立了适用于加工误差生成模型的蒙特卡洛采样计算方法，并通过软件对分析过程加以实现。以XHAV2430×80五坐标龙门加工中心加工“S”形样件为例，进行加工误差溯源实验研究。给出了样件在不同加工区域影响度较大的几何误差参数，并结合样件的几何特性对结果进行了分析。总结分析了各项几何误差对加工误差影响规律，有助于整体把握样件加工误差产生原因。本项目从机床和“S”形样件两方面入手，建立了机床模型与样件上切削点的映射关系。通过误差辨识及灵敏度分析等手段，对“S”形样件的加工误差产生规律进行了总结。为使用者通过“S”形样件快速溯源机床误差及研究人员把握加工误差产生机理提供了重要参考。