[发明专利]一种数控蜗杆砂轮磨齿机空间误差解耦补偿方法

说明书

本发明公开了一种数控蜗杆砂轮磨齿机空间误差解耦补偿方法，属于机床误差补偿领域，用于多轴机床空间误差解耦补偿，解决了多轴机床空间耦合误差的难以解耦和补偿的问题。区别与其他解耦方法，本发明采用简化模型之后分步解耦的方法，可直接求得各轴误差的解析表达式，大大降低了计算量。首先，基于多体系统理论与齐次坐标变换建立机床间变换矩阵，推导出由几何误差元素导致的机床空间误差模型；然后，对误差模型进行忽略高阶小量、提取独立项等系列简化；最后基于简化模型，对机床空间误差按一定顺序进行分步解耦。

技术领域

本发明属于精密机械传动设计制造领域，基于误差补偿技术及相关理论，对数控蜗杆砂轮磨齿机几何误差导致的空间误差进行分析，寻找机床关键几何误差元素，对数控磨齿机进行有效的空间误差解耦补偿来提高磨齿机的加工精度。

背景技术

机床的加工精度主要取决于机床误差的大小，提高机床精度的基本方法可分为误差消除法与误差补偿法。误差消除法通过提升机床零部件的制造精度、进行机床热稳定性设计以及控制热环境变化等方法来从源头上消除机床误差。误差补偿法则是人为地制造一种新误差去削弱当前的误差，通过检测得到机床在各种不同条件下的误差，再人为制造相反的误差来对机床施加影响，达到削弱误差对机床加工影响的效果。误差补偿法由于其具有很大的成本优势，而且具有通用性，从而得到学者的广泛研究。

机床误差主要可以分为几何误差、热致误差、力致误差以及控制误差等，其中几何误差是影响机床加工精度的主要因素之一，故亟需对数控蜗杆砂轮磨齿机所有几何误差元素综合而成的空间误差进行研究。数控蜗杆砂轮磨齿机由于自身结构与运动的特点，在对其进行空间误差补偿时，其各运动轴的补偿值与机床空间误差存在一定的耦合关系，使得难以直接由空间误差模型计算得到各运动轴的误差补偿值，所以必须进行解耦以获得各轴误差补偿值，从而完善空间误差补偿数学模型，实现空间误差模型的正向与逆向求解，为机床的误差补偿提供理论基础。

误差补偿是通过驱动机床运动轴以使刀具和工件在机床空间误差的逆方向上产生抵消误差的相对运动而实现。对于五轴机床来说，误差补偿运动是非常复杂的，因为其各运动副的误差补偿运动量与刀具和工件间的误差值(位置及方向误差)间存在一定的耦合关系。因此五轴机床难以通过空间误差模型直接计算得到机床各运动轴的补偿量，需要对其进行有效的解耦之后才能实现得到机床考虑误差的运动学正解与逆解，实现空间误差有效补偿。机床误差解耦方法经过多年的研究与发展，目前基本可分为根据误差运动学模型直接求解、简化模型求解和数值迭代求解等方法，理论依旧不是很成熟，尚未形成统一有效的机床误差解耦补偿方法。

发明内容

针对上述现有技术中存在的不足之处，本发明提供了一种数控蜗杆砂轮磨齿机空间误差解耦补偿方法。该方法根据空间误差、几何误差及多体系统结合机床的结合机构与加工运动，得到机床加工精度的几何误差元素；并推导出由几何误差元素导致的机床空间误差模型；基于模型简化的方法对机床空间误差进行分步解耦；并将空间误差对应的运动补偿量分配到响应的运动轴上。

为了解决上述技术问题，本发明采用了如下技术方案：

一种数控蜗杆砂轮磨齿机空间误差解耦补偿方法，包括以下步骤：

1)对数控蜗杆砂轮磨齿机进行结构分析和运动分析，得到机床41项几何误差元素；基于多体系统理论分析得到机床拓扑结构，得到蜗杆砂轮磨齿机的用于描述齿轮工件相对于床身的齐次坐标变换矩阵T_wt，以及空间误差模型，包括空间位置误差模型E_p(I)和空间姿态误差模型E_R(I)，其中I＝[a b c x y z]^T表示各数控轴的指令位置，表示A轴、B轴、C轴、X轴、Y轴、Z轴的理论运动量分别为a、b、c、x、y、z；