精密和超精密機床精度建模技術(shù)

1、學習匯報CONTENTS123學習進度遇到問題未來計劃1學習進度1學 習 進 度超精密機床知識學習1.幾何精度建模2.精度模型和應(yīng)用3.刀具及加工表面形貌建模4.激光干涉儀誤差檢驗5.虛擬加工技術(shù)1幾何精度建模1.誤差的基本知識精準度，重復度，分辨率的概念誤差特性和分類（系統(tǒng)，時變，隨機性，過失）表面粗糙度（參數(shù)）及評價2.精密機床的發(fā)展和誤差描述加工的尺寸、形狀精度：精密加工技術(shù)：0.11m，Ra30nm超精密加工技術(shù)：0.1100nm，Ra10nm超精密加工條件誤差分析：外部誤差，內(nèi)部誤差。 建模目的：主要建立機床幾何誤差和刀具成形誤差的模型。機床幾何誤差項（每個軸有6項基本誤差）精密和超

2、精密機床加工精度要求1幾何精度建模3.幾何精度建模理論發(fā)展4.多體誤差分析與建模運動學理論概述多體系統(tǒng)幾何結(jié)構(gòu)（描述方法：1.基于圖論；2.低序體陣列）作用：幾何描述 （典型體Bj相對于Bi的運動情況方陣多體系統(tǒng)坐標系）轉(zhuǎn)變矩陣（理想運動） 坐標變換，平移，旋轉(zhuǎn)1幾何精度建模轉(zhuǎn)變矩陣（實際運動） 函數(shù)變分概念 變分陣=應(yīng)變陣+旋轉(zhuǎn)陣+純平移陣 靜止狀態(tài)誤差取決于聯(lián)接精確性和內(nèi)外因素影響 運動狀態(tài)誤差取決于運動精確性和運動量 線誤差和角誤差的變換陣 5.多體系統(tǒng)動力學方程零級運動方程？（理想和實際）6.多體系統(tǒng)約束結(jié)構(gòu)約束（自由度）相對運動約束（約束方程）1幾何精度建模7.多軸機床成形運動 運動

3、軸命名機床分類成形運動（刀具與零件的相對運動）成形點，刀具軌跡，成形函數(shù)XYZTTTRR2精度模型和應(yīng)用1.超精密車床和大型超精密五軸機床成型運動和空間誤差建模拓撲結(jié)構(gòu)、低序體陣列和特征矩陣（與第一章基礎(chǔ)類似，運用到實際機床中） 主要誤差：工件裝夾誤差，主軸誤差，導軌誤差，工作臺定位誤差，機床 非剛體誤差 機床的特征矩陣（理想與實際運動）成形函數(shù)與運動約束方程2.超精密回轉(zhuǎn)軸系的誤差建模6項基本誤差：定位誤差，滾轉(zhuǎn)誤差，位移誤差，顛轉(zhuǎn)誤差，偏轉(zhuǎn)誤差（誤差識別）測量方法：回轉(zhuǎn)誤差在用三個傳感器進行零件和主軸誤差的分離 主軸偏角誤差打表找正，試車法，檢測盤然后誤差分離3.滾珠絲杠的特性和精度分析微

4、動特性：絲杠在傳遞微米甚至納米級的運動時表現(xiàn)出來的特性宏觀運動特性：絲杠在傳遞宏觀運動時表現(xiàn)出來的運動特性結(jié)論：絲杠的軸向受力變形和扭轉(zhuǎn)變形均是線性的，唯有滾珠與滾道之間的接觸變形是非線性的。 滾珠與絲杠，滾珠與螺母之間是弱剛度環(huán)節(jié)，剛度和預緊力是非線性的。 機床進給機構(gòu)中的接觸剛度決定了機床進給機構(gòu)的剛度。2精度模型和應(yīng)用傳動機構(gòu)的摩擦 摩擦機理：彈性滯后，塑性變形，界面粘著，界面微滑傳動機構(gòu)的反向間隙 靜態(tài)間隙和動態(tài)間隙 開環(huán)系統(tǒng)：“切頂”現(xiàn)象 （半）閉環(huán)系統(tǒng)：對系統(tǒng)穩(wěn)定性和輸出軌跡光滑性的影響 超精密加工必須消除傳動間隙預緊法滾珠絲杠對直線度的影響（變形，自重）3刀具及加工表面形貌建模本

5、章主要結(jié)合了刀具的幾何形狀、進給速度、主軸轉(zhuǎn)速、刀具與工件的相對振動等影響因素，進行建模仿真1.建模建模方法：1.有限元法；2.分子動力學模擬法；3.運動學和切削機理的分析方法2.刀具模型和輪廓加工誤差切削刃：單點刃刀具，線形刃刀具，面形刃刀具直線輪廓誤差：實際位置與刀具指令直線軌跡的最小偏差。曲線輪廓誤差自由曲面輪廓誤差 誤差表達方法。3.精密車削的建模和分析拓撲結(jié)構(gòu)和特征矩陣刀具模型方程-車刀軌跡參數(shù)方程仿真4.非球面面形建模和分析a.杯形砂輪（加工陡度高）；b.平行砂輪；c.球形砂輪（修整）d.離軸非球面的加工方式誤差分析：加工殘留誤差直接影響工件的面形精度 砂輪形狀誤差（磨損，安裝傾角

6、）3刀具及加工表面形貌建模5.單點超精密車削影響加工表面形貌：切削刃的幾何形狀、進給速度、主軸轉(zhuǎn)速以及振動（剛度）刀具干涉：過切和欠切現(xiàn)象刀具干涉與切削參數(shù)包括切削刃圓弧半徑，進給量以及振動頻率幅值有關(guān)。6.飛切加工三維形貌仿真飛切加工表面形貌建模算法7.超精密車削表面特性分析與相對振動FFT分析表面輪廓徑向輪廓：a.進給量對工件表面頻譜的影響 b.振動對工件表面頻譜的影響周向輪廓：振動的影響螺旋方向：進給量內(nèi)的起始點相關(guān)4激光干涉儀誤差檢驗機床誤差檢驗與性能評價：1.綜合誤差檢驗評定；2.單向誤差檢測評定1.激光干涉儀基本原理a.雙頻激光干測量儀b.新型單頻激光干涉測量儀應(yīng)用：鑒定檢驗儀器，

7、機床的反饋元件光線受環(huán)境條件約束2.九線法基本思想：利用工作臺坐標系中9條直線上的位移誤差和直線度誤差來識別三軸機床的所有21項基本幾何誤差誤差辨別過程：測量誤差建立方程求解3.十二線法（9條邊+3條對角線）初始點出發(fā)3條邊位移誤差另外6條邊顛擺和偏擺誤差3條對角線滾擺誤差九線法，十二線法，十四線法，十五線法，二十二線法4.試驗系統(tǒng)結(jié)論：九線法與十二線法的結(jié)果比較接近，只有垂直度誤差差距較大。5虛擬加工技術(shù)1.虛擬加工構(gòu)成：虛擬加工環(huán)境，虛擬機床加工系統(tǒng)，虛擬加工過程和可視化加工精度評定系統(tǒng)2.虛擬加工過程5虛擬加工技術(shù)3.誤差補償策略修正數(shù)控：1.直接計算出實際數(shù)控指令；2.在理論數(shù)控指令上

8、疊加一個附加指令。虛擬加工仿真6響應(yīng)面法1.響應(yīng)面：輸出響應(yīng)變量 Y與一組輸入變量x（x1，x2xn）之間的 函數(shù)關(guān)系。 作用：1.模型近似；2.設(shè)計空間探索；3.優(yōu)化問題的準確表達；4.優(yōu)化方法的支持。 構(gòu)造：1.在設(shè)計空間內(nèi)采集點，形成設(shè)計點集S； 2.仿真計算，獲得響應(yīng)數(shù)據(jù)集Y； 3.根據(jù)不同的算法由S和Y構(gòu)造不同的響應(yīng)面模型。 使用時考慮的因素：1.響應(yīng)面的精確度；2.源模型的仿真估值次數(shù)；3.構(gòu)建和優(yōu)化響應(yīng)面的時間 4.響應(yīng)面占用的儲存空間；5.利用響應(yīng)面模型對給定點的估值數(shù)速度。2.實驗設(shè)計方法 1.經(jīng)典采樣：（1）全因子試驗：將試驗的各個因素在各個不同水平下的完全組合來做試驗的方法。 （2）部分因子試驗 （3）中心復合試驗（二次多項式響應(yīng)面模型） 2.全空間分布采樣：（1）網(wǎng)絡(luò)采樣；（2）拉丁超立方采樣；（3）正交表設(shè)計3.自適應(yīng)序列試驗設(shè)計法4.常用響應(yīng)面模型 （1）多項式回歸模型RSM （2）標準kriging模型2問題反饋12零級運動方程的來源目前看到響應(yīng)面法還是比較抽象，就懂得一些表面的理論，至于如何構(gòu)造還不是很清楚問題2問 題 反 饋3未來計劃計劃3未 來 計 劃第一階段：先把握好基礎(chǔ)學習，看看相關(guān)的論文，學習一下別人的一些實驗方法， 誤差測量方法和響應(yīng)面法優(yōu)化方法。第二階段：做實驗