机床主轴回转精度建模与精度互补偿设计

作     者：刘艳兵 

作者单位：重庆理工大学 

学位级别：硕士

导师姓名：黄强;宋惠林

授予年度：2020年

学科分类：080503[工学-材料加工工程] 08[工学] 0805[工学-材料科学与工程（可授工学、理学学位）] 0802[工学-机械工程] 080201[工学-机械制造及其自动化] 

主      题：机床主轴 精度建模 仿真分析 可视化研究 误差互补偿 

摘      要：机床主轴回转精度是决定机床加工精度的核心原因之一,研究分析主轴系统回转精度及影响因素并采取合适的方法减小误差,可以显著提高机床的加工质量。在目前制造业领域追求精密及超精密加工的大背景下,为响应国家对装备制造业提出的要求,推动我国制造业高速发展,提高机床主轴回转精度是很有必要且必需的。本文在分析国内外学者对主轴技术研究的基础上,分析目前发展存在的不足,提出“机床主轴回转精度建模与精度互补偿设计研究课题。以MATLAB为主要工具建立主轴回转精度数学模型,分析各误差因素对主轴回转精度的影响规律,并设计了可视化仿真分析界面,对回转精度影响较大的误差进行优化,提出精度互补偿方法,并编制了精度互补偿软件分析系统。本文的主要研究工作如下:第一,以常见的双支承主轴结构为研究对象,通过对主轴物理结构的分析及简化,分析其误差源,并以多体系统理论及齐次坐标变换为基本原理,描述主轴误差运动形式及误差传递关系,建立主轴系统六个自由度方向的误差运动数学模型。第二,利用建立的主轴回转精度数学模型,结合误差评定方法,分析各主要误差因素对主轴端面径向跳动的影响规律,以径向跳动值大小作为评价主轴回转精度的标准,并量化的分析各误差因素对主轴回转精度的影响规律。第三,为了使得各误差因素规律分析过程更方便、分析效率更高、影响结果更直观,基于MATLAB-GUI编制了各误差因素对主轴回转精度影响的可视化仿真界面,利用此界面可方便实现对各种误差条件下的主轴回转精度进行分析。第四,各误差源对主轴回转精度的影响程度是不同的,用误差影响系数表示其影响程度。通过误差影响系数分析,得到对主轴回转精度影响较大的误差。根据分析结果发现主轴系统部件间存在误差抵消的现象,称此现象为误差互补偿,在此基础上提出了定偏移量误差互补偿方法和定跨距误差互补偿方法,结合主轴实际设计结构选择定跨距误差互补偿作为回转精度互补偿设计方法,并编制工具软件进行可视化分析,对出现相互抵消的误差部分进行误差互补偿研究,从而减小主轴系统误差总量,提高主轴回转精度。