基于流形分析的切削状态下五轴联动数控机床标定优化方法与关键技术研究

The efficient method to identify the errors of 5-axis machine tools by measurement of machining test is investigated. Firstly, based on the homogeneous transformation matrix method and electromechanical coupling analysis method, we study the 5-axis machine tools’ geometrical and dynamic errors. we will propose a new method to evaluate the contour error and volumetric error of 5-axis machine tools . And analysis the effect of errors source on the contour error and volumetric error. We will introduce an envelope surface model which considering the work pieces and tool deflection errors in 5-axis flank milling. Based on the Total least square method, errors-in-variables (EIV) model，subspace theory and matrix perturbation theory, the composite algorithm for ill pose problem is investigated. And identifiability of errors and the accuracy of identify result are investigated by this method. Finally, based on the Grassmann manifold, the machining test tool path optimization method is investigated to improve the he accuracy of identify result. Finally, the proposal machining test and calibration method be validated by experiment. The introduced method and experiment result can provide theoretical basis and technical support for the calibration , errors compensation and control parameter optimization of 5-Axis machine tools.

针对基于切削试件面型精度的五轴联动数控机床误差快速准确辨识问题，利用齐次变换矩阵法和多轴运动机电耦合分析建立五轴机床综合误差模型，研究刀具空间位姿误差和轨迹轮廓误差计算方法，分析几何误差和控制参数对刀具轨迹轮廓误差影响规律及其敏感性；基于刀具瞬态包络特征线建立考虑刀具工件变形和原理误差的侧铣扫略包络模型，研究五轴侧铣加工试件面型误差计算方法；在此基础上，基于Grassmann流形分析理论，通过矩阵子空间解耦可辨识性分析、间接测量的EIV模型分析、子空间扰动分析等研究，以及基于子空间流形辨识矩阵构造和辨识矩阵子空间优化，实现切削轨迹特征优化，完成五轴机床误差辨识理论与方法研究及算法开发。提出具有自主知识产权的切削试件模型，通过相应的切削辨识实验验证上述理论与方法的正确性和有效性，为五轴联动数控机床误差补偿和控制优化提供理论基础和技术支撑。

精度检测是五轴联动数控机床研发和使用的关键技术，与基于仪器的检测方法相比较，基于切削试件检测方法具有能够反映切削状态下性能、检测范围大、能检测五轴联动精度等优点，成为五轴联动数控机床精度检测的研究热点。项目针对基于切削试件面型精度的五轴联动数控机床误差快速准确辨识问题，开展五轴机床综合误差模型建立、刀具空间位姿误差计算、试件轮廓误差计算、试件轮廓误差影响分析、轮廓误差对影响因素敏感度等基础研究，进一步研究刀具变形和与原理误差对试件轮廓误差影响以及试件轮廓误差计算方法，研究基于矩阵子空间解耦可辨识性分析等，以及辨识矩阵构造和辨识矩阵子空间优化，实现切削轨迹特征优化，五轴机床误差辨识理论与方法，以及切削辨识实验等。通过本项目研究，形成了五轴联动数控机床基于切削试件的检测基础理论，解决了综合误差建模、轮廓误差计算、误差可辨识性分析、辨识算法等核心关键问题，对于揭示基于切削试件的五轴联动数控机床检测机理，进一步推进该检测技术与方法的推广应用具有重要科学意义和工程实用价值。通过项目研究，发表8篇学术论文，SCI收录7篇，EI收录1篇，申请2项发明专利，1项已授权，获软件著作权1项。