（机械制造及其自动化专业论文）数字化精密曲线磨床若干关键技术问题的研究.pdf

摘要 随着国防王韭、模具棚王和刀具弗4 造垃约高速发展，我国每年都蒜花赞巨餐进口2 0 0 - 3 0 0 余台 精密光学轮廓瘩床或工具磨床以及备种多功施复杂曲颟磨庶，用于民用罩u 军用模其、复杂鼗面零件、 刀具等船工。此外，西方国家为了限涮我翟军事_ 工业的发展，禁止向我国军工垒业如售这些高性能、 高精度的机床装蔷。而我嗣磨嗣加工技术的研究虽然有近五十年的历史，但总体水罩与裳选国家柏 差较走。特别是高性能翼有在线检测的磨削技术研究较步。 鉴于上述原因，上撙交通大学制造技术与自动化所所长龋德盎毅授提出了基于匿像在线识别 韵复魏曲面精密磨g 关键技术及装备的研究开发遮一谦艇。昔在研究开粒一套具有龠主知识产 权的、能实瑰c c d 精密醴像采集与在线糟密检测的、多轴联动数字控制的精密点磨削技术，井研制 台数控精密点辫翻磐臻样机。 研究开发数控精密点磨削成套技术，并达到国际先进水平。 2 0 0 2 年9 旁上海交遵大学机槭学院机械制造与自动他研究所联合上海第三机廉厂正式启动了 基于图像在钱识别的复杂曲面精密蘑削关键技术& 装备的研究开发这一项目t 该项目被列为上 海市2 0 0 2 年重点祷技玫荚项目。 作者通过参加基予髓像在线坦瓤的复杂瞄面精密躇削关键技术器装备的研究开发遮一瑷珏， 对箕中的若干技术问题避行了研究。 在馕项目中，作者主要承摄工作有： ( 1 ) 现有机庶嫩9 0 2 5 糖整数控啦线詹床的垒性能寰验； ( 2 ) 新一代多劝靛数学亿棒密曲线磨床扮总体设计、三维造型、及帆床零部件的育硪元分析。 在讲究开发过程中，重点对下列闽题迸辑了研览； ( 1 ) m k 9 0 2 5 精密教控曲线踌寐热变形和几何精发研究： ( 2 ) 使用有隘元方法进行结构忧化设计拍群究。 通过对上述问题的研究，取得了毗下成粜： ( 1 ) 通过对蛳1 ( 9 0 2 5 精密数控曲线磨床热变形懿研究， 正鹳了在秃进给状况一f 较长时间内出现 磨自8 火花的原因是由于在磨削过程中主轴径向热变形所i 起的 ( 2 ) 递过有黻元分辑，证明了数字化精密曲线黪藤整机强度遥远，、子铸铁盼瑶服强度，圆此 强度问题并不再是设计所要考虑豹主要阃题，从而提出将影响加工精度的切削匿的最大变形置作为 设计考虑要点遮新思路， ( 3 )通过有隈元分析，对新一代基于图像在线检测数字他精密曲线磨廉鼬结捣曼计进行r 旨 粤茂遵，太文的提高了设计的效率。 关键谢：品羞元素数控加工；微光测量；c a d 三维建楼；霄耀元 r e s e a p c l 嚣so ns e v e ；淤l 基yj 基c n o l o g 王c a l p r o b l e m so n d 【g i t a lp r e c i s l 0 nc u r v e g r i n d f n gm a c l l 狯i e w i t t _ lt h ef l 哦h e rd e v e l o p m e n to f n e t l o n a tc l a r e n c ei n d u s t r ya n dd em a n u f a c t u r i n g , c o u n t yt a k e s m u c hm o n e yt op u r c h a s et w oh u n d r e da n dt h r e eh u n d r e dp r e c i s l o ng r i n d i n gm a c h i n ee v e r yy e a rs u c ha s p r e c i s i o no t l e s 断8 d i = gm a c h i n eo r 渤ig r i n d i n gm t c l j n e sa - dv i c i o u sg r l n d l , , gm a c h i n e , w m c h 越毫 m o s t l y u s e di nm i l i t a r ya f f a i r sa n dd v i la f f a i r s ，p u r t h e r m o t e ，i no r d e rt or c s t r k tn a t i o n a ld e f e n c e d e v e l o p m e n to fo a ro a t h n t r y , 捌eo f 地mp e r f o r m a n c ea n dh i g hp r e c i s i o nn l a e h i n ei sb a n n e db yw e n o i t l c 。u t l t r i e s 矗鹣o u 靠t h es 缸啦髓舒耐诬gt e c h n i q u e 彝赫b e e nc a r d e d f 蒲磊艇y e a r s ，i t 毽s t i l lt e h b d t h ed e v e l o p e dc o n n t l e s e s p e c i a l l yf e ws t u d yo n 伽eh l g hp e r f o r m a n c eg r i n d i n gt e c h n i q u ew i t ho n l i n e d e t e c t i o n i n v o l v e 出 a sr e a s o t tm e n t i o n e da b o v e ，h nd e j i n ，p r o f e s s o ro f m e c h a n i c a la n dp o w e rs c h 0 0 i ns h a r l 醉a it i d e t o n gu n i v e r s i t y , p r o p o s e dt h es u b j e c t s t u d y0 t lk e yt e c h n o l o s y 鼬g a d n d t t l g 也eo o m p e xs u r f a c eb a s e d0 1 1 o 瘫i n ei n - , e g ed e t e c t l o n 蕊dd e v e b t 。m e n t 撕啊托s 删培琏gg r b d b g 蹿h 即鼎1w b 融拓e r eo f t h ek e y p r o j e c tm n d e db ys h a n g h a im u n i c i p a lg o v e r n m e n ti n2 0 0 2 a u t h o rt o o k 脚遮糖sp r o j e c t 刚w 黏t o s p o 蜥b l e 鼽i ) m k n ) 2 5c o m p l e t ep e r f o r m i c at e s i ，2 a n dd e s i g no fd i g i t a lp r e c i s i o nc l a r y e 鲥n d i n gm a c h i n e 。3 dm o d e t i n g df i n i t ee l e m e n ta n a l y s i so ft 酏 i r a p o r t a n t p a r t s w i t hc a t a p r o b l e n t ss t u d i e da s , f o l l o w i n g ： ) m x 9 0 2 5p r e c i s i o n n cc m r i d e r n e r m a ld e f o r m a t i o n a m d g e o m e t r i c a la c c u r a c y ，2 ) a u ds t r u c t u r ed e s i g nt om a k e p e r f e c ta n de f f e c t i v ea sp o s s i b l ew i t hf i n i t e l e m c t am e t h o d + t h r o u g h t h es m d yo f p r o b l e m a b o v e 。o o n 嘶b u t i o l a i so b t a i n e d ： 1 1t h er e a s o go f e l e c t r i cs p a r k l ei sa p p e a ru n d e r 龇c o n d i t i o no f f e e d i n gi sz e r o i sf o u n d e d ，w h i c hi s c a u s e d b y r a d i a lr e f a r m a t b no f s # n d t e d u r i n g 赶b r e e d i n g p r o c e s s 2 、r h r o g hf i n i t ee l e m e n ta n a l y s i s ，t h ei n t e n s i t yo f d i g i t a lp r e c i s i o ni sl o s st h a ny l e l ds t r e n g t ho f t o n i s * * s r e d t h e r e f o r ei n b n 对i tk e yp r o b l e ma e 2 0 u n t e di nd e s i g n t h e r e f a r e ，如oo p i n i o no f t h e r n a x i f f t t l mr e f a r m a f i o no ac u r i n gf e 醉o nw h i e a he f t k c t sm 矗c h i n i n gp r e c i s i o ni sk e yp r o b l e ma c c o u n t e di n d c 5 i g n i sp r o p o s e d j ) 碡l 盎n k e e b m e n t 黼a l y s b , 鸯君d 薜建茸f n r n e w g e n e r a t i o n d i g i t a i r 端巍i 。g r i n d i n g m a e h i s e b a s e d 0 0c c di sm o d i f i e dp r o p e r l y , t h ee f f i c i e l 、c yo f d e s i g ni sn e a t l yi m p r o v e d k e yw o r i ) s , , r a a c b i n ee f ：n cm a c h i n i n g ；l a s e rf a m r ；c a d ；f e m 上海交臻太擘博士藤矫窿援黄箨一牵罐论 第一章绪论 本文源于旗子图像在线识剐的复杂腩面精密磨削关键技术及装备的研究开艘这 一矮霹，缓矮蟊楚主海枣麓点辩鼓公关袋禽，受刘了上海市秘学技术委委会及上海瓿素 辅三机床厂的大力资助。 毒簧参窳了基予爨橡在线谈爨懿嚣杂巍甄精密饔割关挺按拳及装备瓣蓊窕开发 遗一项目的研究与开发，主要承担下列研究工作；现有机床m l ( 9 0 2 5 精密数控曲 线蘑床盼全倭能实验；复杂霞辚艟面多麓能精密点蘑削襁床总体设计、三雍造型、及 机床零部 牛有限元分丰厅。缀告数字化耩密光学曲线磨廉游于关键技术阀题的研究正 鼹对上述研究工作的总缗。 嚣i ：，蓥先奔缮蓦予爨豫在线识裂熬复杂熬露精密密翻关键艘零及裟墨豹姘究开 发这一课题的选题背景、研究瞄的与意义：然厢在此基础上引入数字化精密光学曲线 整廉萋予美餐技术涟嚣；最蜃详尽谨爨在磷究开菠过程中黯这些美德弱题戆簿凌。 1 1 深艨麴选邀背景 随饕幽防工业、摸具加工和刀具制造业的高速发展，备种精密复杂模舆( 如汽车和 轿车发动机活塞船工霜静中凸交椭臀菲瀚隧转赫蕊靠模、型材成楚轮藕横隘轮、精密律 头、耩密榉援等) 靼刀爨( 耩密乎嚣形颓麴形刀典等) 以及冬季申复杂麴磺零件嚣求量越 泉越大。我国每年需进口2 0 0 3 0 0 余台精密的光墩轮廓磨床或工撼磨床【l 及各种多功能 复杂夔嚣磨床，露予嚣怒秘军瘸模翼、袈客鎏瑟零 孛、刀其等魏工，每套徐硌约2 0 3 5 万美元。此外，黼方国家为了限制我国军事工业的发展，这些国窳禁止向我国军工企业 出售这璧离蕊麓、嵩蔫囊翡辊臻装蚕。 我国磨削加工技术的研究虽然有近五十年的历史，但总体水平与发达国家帽差较 犬，特期楚高佳能其膏程线裣测的磨誉技术疆究较少。 鉴予上述原因，上海交通大学制造技术与自动化所蹒长胡德嫩教授提出了毯子图 像在线识别的复杂曲面精密磨黼关键撩术及装备盼研究开发遮谋越，旨在礴究开 发一套其蠢壹主躲谖产投熬、能实现c 8 精密黪像采集冬在线糟密检测的、多辘联动数 字控制的精密点磨削技术，并研制一台数字化精密点磨削磨床样机。研究开发数控精 密点囊瓣成套技术，荠遮鬟餮辩竞邃隶平。 上海交通大学博：七后研究报告第一章绪论 1 2 课题的研究现状 i i i 国外数控磨削技术的发展现状 近年来数控磨削技术发展很快，国外c n c 工具磨床己从三轴到十轴，产量占金属切 削机床产量的1 8 ，超过车床、铣床、钻床及齿轮机床。调查结果表明，2 5 的企业认 为磨削是他们应用的最主要加工技术。 磨床加工中心的出现是磨削自动化水平的一个标志，目前有名的磨床厂有：德国 b l o h m 机床公司、e w a g 机床公司、j u n g 机床公司、m a g e r l e 机床公司、s t u d e r 机床公 司等。 德国j u n g e rg r o u p 集团研究开发外圆磨床，其特点是“快速点磨”，即经过修正后 的砂轮的外圆与工件的接触近似点接触，同时利用和车削一样的两坐标联动实现复杂零 件的表面磨削，比切入磨削有更大的柔性，生产效率比普通磨削可提高6 倍。 瑞士开发6 轴控制的、砂轮可曲面法向跟踪进行磨削的高精度磨床，可一次加工出 复杂曲面，提高了效率，避免了接刀误差，提高了曲面加工的表面质量。 此外，随着数字化光电技术的高速发展，用c c d 技术替代了传统的光学系统，大大 提高了精密曲面磨床的技术性能。美国r o l l o m a t i c 公司研究开发的高精度c n c 6 0 0 x p t u s 六轴工具磨削中心配装了变革性的光学装夹，每个磨削砂轮的位置是用轮廓投影仪在线 测量的，因为测量是在机床上在线进行的，因此能够保证较高的精度。 1 1 2 国内数控磨削技术的研究概况 从6 0 年代开始上海第三机床厂、武汉机床厂等企业在高校的协助下，开发了光学 曲线磨床、万能工具磨床等产品。 目前在我国己能开发2 - 3 轴联动的曲轴磨床、凸轮轴磨床，但多轴联动多功能复杂 曲面书空精密磨削技术及装备的研究开发却相当缺乏，与迅速发展的模具制造业严重脱 节。 由于技术上的原因，目前我国生产的光学曲线磨床只能加工平面直线刀具、平面样 板等工件，无法实现如中凸变椭圆非圆回转曲面靠模、精密冲头、超硬精密平面形及圆 形刀具等复杂工件的一次成形磨削加工，大多数还采用一次安装分次磨削方法。 为了实现复杂曲面的精密磨削，砂轮的法向跟踪与点磨削技术是十分关键的，工件 沿c 轴的回转控制，砂轮架沿a 轴的摆动、 这些研究工作虽然我国高校作了一些研究， x 、y 和z 轴移动的四轴联动己必不可少。 但复杂曲面多轴联动的点磨削技术研究很 上海交通大学博士后研究报告第一章绪论 少。 传统的光学曲线磨床是依靠光学投影来观察磨削状况的，无法采集和处理这些图像 信息，也就无法实现砂轮的自动跟踪磨削。c c d 技术是当今图像数据采集的最重要的器 件，c c d 采集的图像数据可以通过计算机直接处理，实现砂轮和工件形貌及尺寸的检测 和观测，然后通过数控系统实现磨削点的轨迹控制，这样就可以实现各种复杂曲面以及 各种圆盘刀具、样板等零件的精密磨削。 1 3 课题的研究基础 国内研究开发光学曲线磨床是从五十年代末开始的，当时国内先后有近十家企业参 与研制该类光学曲线磨床，由于各种原因，至七十年代末仅剩上海第三机床厂在内的两、 三家，到九十年代，只有第三机床厂在制造光学曲线磨床。 第三机床厂1 9 6 2 年仿苏联3 9 5 m 光学曲线磨床，制造出第一台m 6 9 5 光学曲线磨床： 1 9 6 3 年与上海机械学院进行合作，进行改进设计，开发出第一代m 9 0 1 5 光学工具曲线 磨床；1 9 6 8 年做更新设计，以德国p e t e w 公司产品为赶超目标，开发出m 9 0 1 7 型光学 工具曲线磨床；1 9 7 6 年对液压伺服系统做了重大改进，开发了m 9 0 1 7 a 光学工具曲线磨 床；1 9 8 2 年将数显检测技术应用到该类机床上，开发出m 9 0 1 7 b 型光学曲线磨床。1 9 8 6 年开始研制数控益线磨床，1 9 9 9 4 年开发出m k 9 0 2 5 型数控光学曲线磨床。 基于图像在线识别的复杂曲面精密磨削关键技术及装备的研究开发就是在目前 三厂的现有产品m k 9 0 2 5 数控光学曲线磨床的基础上，对其几何精度和热变形等进行全 方位的性能测试，重新设计新一代基于c c d 精密曲线磨床，并加入新的技术：基于 c c d 砂轮与工件形貌及尺寸在线检测与误差补偿技术；多轴联动、法向跟踪的精密点 磨削技术；金刚石在线修正技术。从而超脱旧的产品，达到技术上飞跃。 1 4 课题的研究目的与意义 随着汽车制造业、微电子器件制造业、家电制造业的高速发展，各种精密复杂的模 具、刀具需求量越来越大。我国每年进1 2 1 精密的光学曲线磨床2 0 0 3 0 0 台，用于民用和 军用的复杂精密零件、模具、刀具等加工，每台价格为2 0 3 5 万美元。但国外对我国的 国防和军工企业所需的精密光学曲线磨床往往采取禁运政策，我国的国防企业很难购买 到高性能的、高精度的精密曲线磨床。 上海交通大学博士后研究报告第一章绪论 基于c c d 图像在线检测的复杂曲面多功能精密点摸学技术的研究与开发项目起点 高，技术含量尚，在老产品基础上实现技术的跨越。该项目一旦研究成功，有望代替进 口，可有利推动我国机床行业的发展。该技术转化成功，根据目前的市场需求情况，第 一年可生产1 0 一2 0 台，销售收入约1 5 0 0 - 2 0 0 0 万元；第二年可生产3 0 4 0 台，销售收入 约4 0 0 0 5 0 0 0 万元：第三年可生产4 0 一5 0 台，销售收入约5 0 0 0 6 0 0 0 万元。到“十五” 结束，本项目转化和推广应用预计可达8 0 0 0 万元以上的销售收入，产业化前景十分可 观。 目前我国每年进口精密光学曲线磨床2 0 0 3 0 0 台，每台价格约2 0 一3 5 万美元，每年 仅用于光学曲线磨床的外汇就高达近l 亿美元。如果开发出的数字化精密曲线磨床能替 代三分之一的进口量，就可节约3 0 0 0 万美元。 因此，基于c c d 在线检测的数字化精密曲线磨床的研究开发，无论民用还是军用都 具有积极的社会意义和明显的经济效益。 4 乏海交避天学搏一 。簏疆究掇告第二牵数字诧糖簿黩线簿床蒜干关键技术彝题豹磺究 第二章数字仡精密曲线磨床若干关键技术问题的研究 作者参加了基于图像在线识别的复杂曲面精密磨削关键技术及装备的研究开发 这谖题熬磅究与开发，主要承攒下列碜宠王终：瑗鸯撬藏整k 9 0 2 5 精密数控趣 线磨床的全性能实验；复杂回转曲面多功能数字化精密曲线磨床整机设计、三维造 蘩、橇床零部舞懿有限元分梧。 2 + l 数字健藕密蘧线蘑采蓑子关键技术翊遂 在殿漱担的项目任务中，需要解决的技术问题有：原有产品m k 9 0 2 5 精密数控光 学陋线磨脒的机床误差梭测与分析：使用c a d 兰维建模技术对新一代麓于c c d 数字 纯搴蠢密夔_ 线蘑褒遴 亍霞纯设计及三维造型；莠进对其零都 孛邀行有强元分辑，使结 构设计更为合理。 2 2 研究方法与研究的意义 2 2 1 撬苯误差黪检测2 i - 2 4 1 1数控机床误羲检测的研究意义 精密加工技术己成为现代机械制造中最重要的组成部分和笈展方向，随著精密加工 款广泛应翅，对数控极霖加工糖度的要求也蜀益提高。 数控机床的精度是机床性能的一项熏要指标，它是影响工件加工精度的重要因素。 椒藤精痰黪甍低楚塔援袋误差熬大小寒鬟量戆。凝庆误差裁是，极廉按菜磅搡 乍勰程指 令所产生的实际响应与该操作规程所预期产生的响应之间的差异。也可简单理解为，机 臻误差怒撬霖工作台或刃其在运凌中，纛憨位嚣秘实际应誊豹蓑菪。 2 数控机床误麓的分类 按照机床误麓的产生条件、产生根源或者性质，可以有如下不同分炎方法： 掇_ 藤误差分类( 一)摄据褪密误差产生条 孛靛不躺，机床误差可分为： ( 1 ) 静态误差：是在不切削的情况下检测得到的机廉误差，它包括机床的几何精度 鞫定位精度两项肉容，葳袄懿蘧穰床的舔始裁造精度，以及辊床本身豹鬟力季| 趣翁误差 等： 一 ! ；塑至望查兰竖主童竺茎塑堂笙三童塑主些焦童堕垡壁盎董士茎壁丝查塑塑箜婴壅 ( 2 ) 准静态误差：它也主要由机床本身的制造精度决定。准静态是指其指标在给定 的条件下，能够在一定时期内基本保持不变或变化缓慢。机床的准静态误差对加工产品 的尺寸精度占有很大的比重，如机床热误差、工件热误差、刀具磨损( 引起) 误差等； ( 3 ) 动态误差：是指机床在实际切削加工条件下加工的工件所达到的精度，它不仅 与数控机床的原始制造精度有关，还与加工时的环境条件和具体的工艺系统有关，如加 工时的夹具、刀具和工件本身的误差，切削时的力、速度等都对机床的加工精度有不利 的影响； ( 4 ) 高频误差：也是种动态误差，如颤振引起的误差等。 机床误差分类( 二)根据机床误差的产生根源不同，机床误差可分为： ( 1 ) 几何误差：导轨、丝杠、工作台等机器零件，因原始制造、装配缺陷等造成的 机床误差； ( 2 ) 热误差：机床温度变化引起热变形所造成的机床误差； ( 3 ) 力误差：机床受力( 包括切削力、工件和夹具重力、装夹力等) 引起变形所造 成的机床误差，也称刚度误差： ( 4 ) 控制误差：机床的控制系统性能造成的机床误差； ( 5 ) 检测误差：检测系统的性能、测量精度等造成的机床误差； ( 6 ) 随机误差：外界干扰造成的机床误差。 以上各种误差源对数控机床的加工精度影响程度是不一样的。根据美国e k k l i n e 等的研究成果，影响程度分配如衰2 1 所示： 裹l l 数控机床各种误差薄所占比例 几何误差 2 2 机床误差5 0 热误差 2 8 刀具误差 1 3 5 夹具误差 75 加工过程误差3 5 工件热误差和弹性变形 65 其他误差 75 不确定性误差 1 0 检测误差 1 5 安装误差 5 从表1 一l 中可以看出，几何误差、热误差占总误差的5 0 。 机床误差分类( 三)根据机床误差的性质不同，机床误差可以分为： ( 1 ) 位置误差：与机床工作台或刀具位置( 机床坐标) 有关的误差，即误差可由坐 标位置的函数表达：e = f ( x ，y ，z ，其它) 。如几何误差。 搬薛交遴丈掌搏玉器凝究攫簧第二章数字诧藕密爨线癌廉菪予蓑键技术瓣题豹研究 ( 2 ) 非位置误差：与机床工 乍螽或刀篡位置( 机床坐橡) 无关的误差，盘班热误藏( 与 温度高低有关：e = f ( t ，其它 ) 、力误差( 与受力大小有关：e = f t ，其它 ) 。 3 数控搴嚣藤误差的鳖溺方法 误差检测方法可以分为直接测量误差成分和间接估计误差成分。直接测量误差成分 是在机床不同位置和温度分布条件下，使用激光干涉仪或其他机械藏光学方法来浏鲞误 差成分。阈接估计误差成分是用诸如可伸缨式球捧等测量仪器测量机床上工件表酗形状 误差或最终误差，而后基于运动学模型估计各误藏分量。崴接测量误差分麓更精确、更 麓零弱了，毽奏对筵耗瓣，甚至不霹憝。鞠接馈诗误差分爨提供了耪抉遽葶嚣有效继计 机床误差分量的方法。 辊床几何误繁懿溺羹不是镊溺雉，毽交于辊庆热误差张缀太稳菠上取决子诸热趣工 周期、冷却液的使用以及周围环境等多种因素，所以要精确测得热误差是相当困难的。 4 数控机床误羞数学模戮的建立 数控秘藏误蓑分类方法缓多，大致可分为系统误差和照搬误熬嚣类。茭孛系统误差 是系统所阉有的，在机床攀件制遣与装配阶段就产生的误差，通常以累积误差、周期性 谟差、反露误差等形态奎瑷，在两样豹臻凌下霉蒜生荠瓣瀵凄裙潮貔误差篷爱方满，因 此系统误麓可建立数学模型，可利用补偿方式来减少或消除。随机误差与系统误差不同， 不可重现，无法建立数学模蝥，廷能由统计方法泉计算箕大小。 几何误差分爨仅与搜器有关，故为位置的函数；热误差分量仅与温度有关，故为温 度的函数：还有的误差分遗不仅和位置有关还和潞度有关，故既怒位置的涵数又怒温度 麴基数。擞鼗针怼不嚣匏误差霉袋用不弼熬数学建模方法，几何误差用位攫的多项式拟 合，而热误差采用多元温度拟合。 5 数控梳床检测技术静发装历变 最旱发现机陈热变形现象并进行研究的国家之一是瑞士。1 9 3 3 年，瑞士通过对坐 标镗床避行测量分析后发现机床热变形怒影响寇位精度的主要因豢。 3 0 、4 0 年代，各垂学者对搬床热变形豹研究侧重对枧床热特性作实熠性改进。大 约在5 0 年代，开始了误差补偿，如用螺距校正尺刚性补偿丝杆车床母蠛杆螺距误差。 年 弋，对瓠凑热牲麓避行了缀多磅究，金蚕鲻解辑和数字( 纛疆元) 方法柬诗算机 床结构的热膨胀与变形。7 0 年代初，采用f e m ( 有限单元法) 进行机床热变形计簿和机 海交通大学博：卜后研究报告第二章数字化精密曲线磨床若干关键挫术问题的研究 床优化设计。7 0 年代中期，s c h u l t s c h i c k 用矢量法建立了三轴坐标镗床的空间误差模 型，h o c k e n 用多维误差矩阵模型提高了三维坐标测量机的测量精度。7 0 年代后期，出 现了机床热变形的数控补偿技术。到了8 0 年代初期，误差补偿技术已成功地用于坐标 测量机上。 2 2 2 c a d 三维建模技术2 5 3 8 l c a d 是指以计算机系统为主要技术手段，运用各种信息与图形信息，帮助设计人员 从事产品的开发、修改、分析和优化的一门技术。 这项技术起源于5 0 年代后期，美国麻省理工学院于1 9 5 9 年成立c a d 课题小组，由 此揭开了c a d 研究的序幕。6 0 到7 0 年代，随着计算机硬件技术的发展，在计算机屏幕 上绘图成为可能，c a d 技术随之加速发展。建模技术一直在c a d 技术中占据重要地位， 它经历了三个发展阶段：线框造型、自由曲面造型和基于约束的实体造型。基于特征的 三维参数化建模是c a d 建模技术发展的里程碑，以这种技术建立的三维几何模型主要包 括以下几个方面的特征： 标准特征，即在三维模型中已经定义好的基础特征，如孔、杆件、壳、槽、加强筋 等； 生成特征，即三维模型中的拉伸、旋转、扫描、拼合等功能将一个截面沿特定轨迹 线扫描或过渡后形成的各种复杂的特征； 编辑特征，即指圆倒角或者直倒角之类的辅助特征： 基准特征，即指辅助其他特征生成的基准点、线、面、坐标系统等特征： 材料特征，即指材料的类型、密度、强度等特征； 装配特征，即装配体中的各个零件的相互位置关系； 工程分析特征，即有关工程分析方面的特征，如质量和重心位置计算、有限元分析 中的梁单元和壳单元的特征。 基于特征的三维参数化建模就是将这些特征的个方面信息以参数的形式表达出来， 并且通过计算机和用户之间建立的交互模式，用户只要修改参数就能达到修改各种特征 和最终修改三维模型的目的。它的特点是：基于特征、参数化、全尺寸约束、全数据相 关、尺寸驱动设计修改。充分体现基于特征的三维参数化建模思想和最具代表性的软件 和机械行业应用相当广泛的c a t i a ，该软件由一整套机械设计自动化软件模块组成，设 计者在设计过程中只要在用户界面上输入相关的参数值，就可以将设计者的发计思想完 点妻窒鎏盔兰茎! ：叠! 登：i 篓耋篓三童鍪羔堡整查蕉鏊壅壅董置苎鍪堡鲞鎏鍪箜! i 鏊 整融入到务年孛特征中去，软件自动生成满足设计者要求的三维模型。因此，c a t i a 软件 给设计者鼹供了一个充分发挥想繇力和创造力的策命性的设计方法和设计空间，体现了 竣诗考设嚣爨怒载灵活性鞠多样蠼，太大提褒了竣诗效率，缝短了产瑟懿设计周麓。 除此之外，通过c a t i a 软件改变三维模型中的特定参数还可以改变其中对机械系统 仿粪懿嚣绥王 乍( 翔有袋元分幸蜃、优亿设计) 寿莺簧影嗡貔英毽穰患( 如形状特经、材 料特征和分析特征等) ，因而有利于基于特征的三维参数化建模与机械系统仿真的其他 环节的信怠传递和共享，商利于实现c a d 三维建禳与机械系统仿真的其他环节的倍患传 递和共享，有利于实现c a d 三维建模、有限元分树和优化设计一体纯。在本课题中，采 用c a t i a 建立了整个基于c c d 数字化精密光学曲线磨床的三维几何模型。 2 。2 3 毒羧元分耩3 9 - 4 3 1 在当前的机械工程技术领域中出现越米越多的复杂结构，包括复杂的几何形状、载 稀作用和支承约荣等。当对这塑鬟杂闻寇进彳亍静态和动态力学性熊分桥时，通常可戳菲 常方便地鬻出基本方程和边界条件，但却茏法求出勰析解。这是因为，大燕的机械工程 问题非常复杂，有些构件的形状几乎完全不可能简单的数学表达式表达出来，所以更谈 不上袁瓣辑解了。 对于这类机械工程的实际问飚，通常采用两羊中研究和分析的谂径：一是传统的假设 麓袋：方法，静黠复杂阕蓬送行蓬他，并显鼹蠢势秽骰设，鼹终楚纯为一令糍够魁瓒齄趣 题，这种方法由于太多的假设和简化，将导致不准确乃至错误的绪论，现在很少为人所 拜l 了；灵秘方法裁是尽谶能多羹瓷傈嫠瓿躐系统煞各静实际运行工凝，逶避数穰麓法寻 求近似的数值解，所谓的近似方法。有限元( f e m ) 就是众多近似分析方法中最为成功 和应用最广的一种方法，在计算机技术和数值计算理论飞速发震的今天，它己成为显示 又非常青效的选撵。 有限元分析问题的思路是从1 9 5 4 年a r g y r i s 所做的秆系结构矩阵分析推广而求的， c l o u g h + r 辫予1 9 6 0 军在毯豹论文乎瑟癍力分辑懿袁鼹元法中首次暴鼹了寿隈元法 遮名称。在现代机械工程领域研究弹性涟续体程载荷和其他因綮下所产生的应力、应 交和位移等物瑾豢时，囊予应力、应交秘佼移都怒经嚣懿涵数，纛靛是淡镑俸串蠢令点 的应力、应变和位移一般都是不相同的。因此，可以将弹性连续体看作通过一些节点组 成的无限多个微元体的察合，每个徽元俗都有8 个富赢度，这怒个秃陵多个鑫由度 的问题。然后经过有限元的离散化，将一个无限多个自由腹的问题转化为一个有限多个 9 l 海交通大学博士后研究报告第二辩数字化精密曲线蘑麻若干关键技术问题的研究 寓盘度豹离题，借用结构矩拜黝分析方法法进行数值分孛斤处理，从而最终使问题简化， 这就是商限元法的基本思想。 在瓶械系统的工程分析中，有限元的应用主要分为四类： 静力学分撰+ i 求鳃繇受蛇於部载赫不睫时闼变化匏枫城系绞平德耀题； 模惑分析，它是平衡问题的推广，即求解关于系统的某种特征值或稳定值的问题； 瓣态动力学分丰厅，鼯求瓣搿受静癸郝载赫楚时闯发生交位豹动力学蛹瘦瓣越。 非结构力学分析，主要有机械系统的热传导( 温度场) 、噪声分析与控制阻及结构、 热、礤声等多缀汤有陵元藕合分移亍。 随豢计算机水平和数值计算方法的不断进步，涌现出大量的有限元分析软 牛，大型 的有：a n s y s ，n a s t r a n ，c a t i a ，p r o - e 等。其中c a t i a 可以进行三维建模、结构静力 学分考蓐、模态分辑等，该较l 牛不存在三缳建模和分板之阀文件接口问题，医业e 本课题采 用c a t i a 对数字化精密光学曲绒磨床的三维建模、静力举分析粕结构改进设计。 2 2 。4 终篱凌识设计 结构优化设计属计算机辅助设计的范畴，赵设计发展的高级阶段，相对于传统的结 构设计丽言有无比优越性。 + 传统的结构设计首先凭话经验作出结梅的狈始方寰，包括憨体布置、誊孝料选择、结 构尺寸和制造工艺等，然后进行结构分析，最君在力学分析的熬础上检验其可行性，必 要时遂行一、二次穆改。这榉懿缝提设诗哭是越到安全狡棱作趱。 而结构优化设计是指一项设计不仅蒙使其方案合理可行的，且某些指标达到最优。 撬撼最拨仡设诗，裁是强绘定静载蕊或环壤条释下，在对撬藏产蒹豹瞧态、忍爨尺寸蓑 系或其他因素的限制范围内，选取设计燮量，建立目标溺数并使其获得娥优值的一种新 的设计方法。它酋先对溉有设诗进行分析，并西雨根据分丰厅的缩桑指导设计，邋过主要 零部件参数确定和选择使设计达到最优。 随翁计算机技术的应用，优化设计融陆续用到了建筑、汽擎等工程设计领域。一般 束说，对予工摆设计蛹题，所设计的因豢越多，闻题越复杂，最忧化设诗结果所取簪导的 效益就越大。 基 l ，莺滤箦对汽车缮橡咎熬设诗鞠磺囊，邑簌主要蔹靠经验设诗发震到应鼹蠢羧 元方法谶行分析阶段，似尚未能象汽车熬车和主受零部件的参数确定和选择那样广泛应 嗣优纯设诗方法。 j ：簿蹙避太掌撵生妥疑究瓣辫摇二鼗羧事纯饕襁辩臻磐瘫嚣手装键技术勰趣豹雕 巍 邃姚本瀑糕怒分毅继糕鞫魏化妁设计思想，深用c a d c a e 软件对数字化精密光学曲 线纛藤避行参数饨三维淹鏊，荠辩蒸主鬟帮俸避符有聚元努褥，懑运辩镕鬃努檬，选择 蠛潦变童装零繁蒋瓣煞擒袋参数，壤蒙诗迭魏羧爨。 2 3 搴文酝擞鳆王撵 本文所做的主鼗工作如下： l 褒邋 9 0 2 5 囊数整瓷擎禧霹魁凌蠹臻垒蕊麓赛装孛，赞露产垒凌囊瀵蓑嚣瑟大羹要 戮豢热变形蓐嚣且j 趣糖度，划定了详煳的检测方案，并进行测试实验，绘出了擞验结 论，并漆蠢了糖藤的对策；奔新一代鼗宰德精辩蕊缓纛藤蓊设诗耩牙袋蘸定了慧旗。 褒激9 0 2 5 赣密数控魏线黪球黪测试基础上，将基予特征驹c a d 三雅参数化逡模掬 方法| 萱孀程新一代数字化精密魏线磨床盼整祝设计、三绦遍墅中，将萁三难模搿系统磁 羚旁工禧鸯子豢凌、雾稔黎予豢蕊、鬣撩臻爱予豢凌、瘗头子系蟪、冀媳辘助部分等若 予个予卷统，并刺用c a t i a 软件逐一对蕊霉部件进行遗溅。并进而建立辅配模溅，最靥 爱或一个完整魏羹予餮稼褒凌凝瓣蘩字诧嫠缓褰露羹三蟪装笺搂鍪，烫避一多黧霄瀑蟊 分辑和炼橡捷化设计奠定了基础。 黔舔麓膏袋嚣努撰方法，对麟一鬣蒸予器滚霞蔑稔溅懿蓑字稼耩蘩蕊凌蠢零游主要 髅工俸窘、砂鲶颦建立了毒嫩元摸型，进行了详尽豹谢5 良元分析。通过分析锚粱对熟 结梅避行优仇敌谶，佼蒸结稿磷诗菱鸯鸯瑾。 l ：海交通大学博士后研究报告第三章m k 9 0 2 5 精密数控曲线磨床的热变形榆测 第三章m k 9 0 2 5 精密数控曲线磨床的热变形检测 精密机床在进行机械加工时，工艺系统在各种热源的影响下，产生复杂的变形，从 而破坏了工件与刀具相对位置和相对运动的正确性，产生加工误差。据统计，由于热变 形引起的加工误差约占总加工误差的4 0 一7 0 。为了消除或减少热变形的影响，往往需 要进行机床的额外调整或预热，从而影响了生产效率。因此工艺系统热变形问题成为 个重要研究课题。 3 1 m k 9 0 2 5 精密数控曲线磨床热变形检测方案的制定 3 1 1 精密机床热误差的来源与分析 1 工艺系统热变形的来源 产生热变形的热源主要有： ( 1 )切削热切削过程中，切削层的弹、塑性变形及刀具与工件、切削问摩擦所 消耗的热量，绝大部分( 9 9 5 左右) 转化为切削热。这些热量将传到工件、刀具、切 削和周围介质中去，成为工件和刀具热变形的主要热源。 ( 2 )传动系统的摩擦等热量损耗主要是传动系统中各运动副如轴承、齿轮、摩 擦离合器、溜板和导轨、丝杠和螺母等的摩擦转化的热量及动力源如电动机、液压系统 等能量损耗转化的热量。这些热量是机床热变形的主要热源。 ( 3 )派生热源部分切削热由切削液、切屑带走，它们落到床身上再把热量传到 床身，就形成派生热源。此外，传动系统的摩擦热还通过润滑油的循环，散布到机床有 关部位，也是重要的派生热源。派生热源对机床热变形也有很大影响。 ( 4 )外部热源外部热源主要是指周围环境温度通过空气的对流以及日光、照明 灯具、加热器等环境热源通过辐射传到工艺系统的热量。物体从热源导入热量，一方面 向其低温处传递而使各部分温度随导热时间的增加而逐渐升高，同时又向周围介质散 热。 2 工件热变形的来源 工件热变形的热源主要是切削热。传入工件的切削热一般车、铣、刨加工时约占总 切削热的1 0 4 0 ( 随切削速度增加而减少) ，钻孔时往往在5 0 以上，磨削时约占8 0 一h 海雯远大学辫士舞秘宠拯赘第三辩m k 9 0 2 5 糍密数控曲线壤糍韵热变形梭测 以上。对于大型，糖密零件，弱围环境温度釉局部受目光等外部热源的影响也不容忽略。 下丽就几种糯觅的工件燕变形及其对加工精度的影响做稻略豹讨论： 1 )麴工塞类帮长发较踅载镄辘、套类零待 此时，切削热沿切削波面圆周较均匀的传入，战一般可近似瀚看作均匀受热。由于 澎刃行程不长，霹忽程沿王传簸淹霞萋上甥翻爵闻骞先舞抟影确耨怒互件蠢终为簿湛 体。同时工件的文升一般均远远迭不到热平衡，疑向周围介质的散热量桶对的较少，也 霹不考虑。 ( 2 )绻削较薄的环形工件 i 龟时，蚤也可近似豫作为均匀受燕，键密颤辩瘥静热较多，镱入工棒髓煞薰占总磨 削热豹露分毖也较大，工转豹囊爨小，瀛度高；在加压点处散热条件较好，该处温度较 篡他部分低，因此热变形并不均匀，工件加工完毕完全冷却后往往会出蕊棱菡形的圆柱 误差。 ( 3 )车削较长的工件 盘予在漤王 粤辘窝霞嚣土弼潮簿阗稳先器，开始韵剐辩工传瀣舞为零，莲蓉镯楚豹 避行，工件逐渐鼹热胀大，到走刀终了时工件值净增量最大，因磷车道的实际切蝶随走 道而逐溉增大，工件冷帮螽就会蹬琥近骰锭度酶露桂度谖差。 ( 4 )工i 孛受热爱轴向伸长 这熙加工鲶杠时影响螺距误差的主要函素之设工件与母照柱酶漩度稻萋l 5 ，那 么在2 瑶长菠主蠓距蘩诗误差毒 选2 3 噩，藤? 级丝枉在螺纹全长上兔差仅4 0 # r n ( 6 缀丝扭 允差为2 0um ) ，可见影响是非常盟著的。至于对般零件，囡轴向尺寸精度要求大多低 予径惫，馥嚣镳逐不大，毽装爽时露褥王待两鞴定得太繁，镬工件豹热馋长受辫，会产 生很大的热应力，导致工件弯曲变形，就将对加工精度产生很大的影响a 为) 铙、镶、蘑乎嚣 工 牛只在单筒收到切削热作崩，上、下表面间的温熬会导致工件拱趟，中间就被多 坜去，舰工毕完全冷却藤，船工衰面蒜产釜中鹫翁平面凌诿差 3 刃葵热变形的寒源 刀典热变形的热源主要也鼹切削热，传给刀舆的切削热虽然进展总切削热量的很少 帮分0 一蔽车；铣，锤麓工辩鹭占3 “溉，占窆霹爨占l s 辩餐乃吴痿爨，j 、，热容量也小，数爨 会有很麓的温升，对加王精度亦会有不小的影响。刀具蹙热后，其温升在全长上是不等 上海变通大学博一l 后研究报告第三章m k 9 0 2 5 耩密数控曲线磨床的热变形检测 的，但如只研究其对加工精度的影响，则可按刀具的工作部分( 一般以刀具悬伸部分代 替) 的平均温升来估算其热伸长量。 ( 1 )刀具连续工作时的热变形 对较大的表面进行切削加工时( 如车削较长的滚筒或在立式车床上车削大断面等) ， 刀具连续工作时间较长，随着切削时间的增加，刀具逐渐受热伸长，就会造成工件有形 状误差( 圆柱度或平面度误差) 。 ( 2 )刀具间歇工作时的热变形 成批、大量生产时，多采用调整法加工。在一次调整中加工一批工件使，刀具每切 削一个工件后，有一段冷却时间( 装拆工件等非切削时间) ，故其热变形情况与连续工 作时不同。在正常生产的情况下，特别是在自动、半自动机床上，刀具每加工一个工件 的切削时间是相同的，间歇时间也基本上相等。这就是说：刀具的加热和冷却是按一定 的节拍周期性的交替进行。当刀具切削时的热伸长量与刀具停止切削而冷却时的收缩量 恰好相等时，其热变形就稳定在这个范围内。 4 机床热变形的来源 机床工作时受到多种热源的影响，主要来自传动系统中各传动元件的摩擦热、相对 滑动速度较大的导轨与工作台( 或滑枕) 的摩擦热及液压系统动力损耗转化的热量。切 屑和切削液等派生热源对床身热变形也有一定影响。对于大型、精密机床，周围环境的 温度变化对机床热变形的影响，往往也占有重要地位。 由于机床各部分结构形状不同，热源及其位置又不同，散热条件也不一样，因而形 成复杂的温度场和不规则的热变形，破坏了机床的静态精度，从而引起了相应的加工误 差。下面对几种常用机床的热变形进行简单的分析和描述。 ( 1 )普通机床 其主要热源是床头箱内传动元件的摩擦热，引起箱体和油池的温度升高。由于前后 箱壁温升不同( 前箱壁温升高) ，使主轴回转轴线抬高并有倾斜。同时床头箱中油池的 温升，通过箱底传到床身，使床身( 与床头相结合部分) 的上下表面产生温差，导致床 身弯曲而中凹，进一步增加了主轴的抬高和倾斜。 ( 2 )升降台铣床 铣床床身热变形的热源也是主传动系统，同样地由于左右箱壁的温升不一致而导致 主轴抬高和倾斜。同时，其升降台内装有进给传动系统，这也是一个主要的热源，就导 海交递天学搏一b 爱磷究搬舞第三章m k 9 0 2 5 糖密数控热线磨球熬热炎彤检测 致升降台向外倾斜的热变形，使主轴轴线与工作台台面的平行度谈差进步加大。 ( 3 )磨床 整痣的热澡主要是砂轮桨、头架帮规庶渡压系统，瘗剡液则鬻是一静滋生的热源。 一般外圆磨床砂轮架的热变形使砂轮主轴轴线向工件方向趋近，同时床身因上下温 嚣不一致，英东平甏内豹煞变形偻工荐台囱舞蘧移其位移釜一般小予砂轮架懿像移) 。 在藿直面内则使导轨弯曲。另外，当工件必持在两端尖间时，由于头架和尾架的温升不 同，就会俊工件与砂轮产爱轴线不平行魔误差， ( 4 )龙门刨床、导轨磨床 这类机床的脒身较长，如导轨面与底筒稍有濑差，就会产生较大的弯髓变形。敌床 赛热变形楚影蛹