基于多体系统运动学的数控磨齿机几何误差建模及补偿分析-geometric error modeling and compensation analysis of cnc gear grinding machine based on multi-body system kinematics.docx

摘要磨齿机是齿轮的主要精加工装备，其加工精度一般能够达到ISO3-5级。随着对齿轮精度要求的不断提高，高速、精密、大型数控磨齿机的市场需求越来越多。在磨齿时，由制造误差和装配误差引起的几何误差已成为磨齿误差的主要来源。为了提高磨齿精度，必须对磨齿误差产生的原因进行分析，找出主要误差来源并进行补偿。目前，由于我国对数控磨齿机的研发、生产起步较晚，性能指标特别是精度指标较国外先进水平有较大差距，磨齿精度不高已成为制约我国磨齿机上档次的瓶颈问题。为此，本文基于多体系统动力学理论，进行了提高数控磨齿机加工精度的方法与技术研究，对于提高磨齿机性能及加工精度具有一定的理论意义和实际应用价值。主要研究内容包括：首先，利用多体系统运动学理论和齐次坐标变换方法，进行多轴数控磨齿机几何误差建模研究。在考虑误差情况下，分析多体系统的几何描述方法。以YW7232型数控磨齿机为例，将机床结构简化为多体系统，并建立多体系统坐标系，推导出相邻运动体之间的坐标变换矩阵。将机床分为齿轮磨削系统、砂轮修整系统和在机测量系统，建立数控磨齿机几何误差模型。其次，进行磨齿机几何误差测量方法研究。采用激光干涉仪对机床的几何误差进行测量，并根据机床几何误差类型的不同，讨论了平动轴的定位误差及回转轴的旋转误差测量方法。接着，进行基础误差的辨识方法研究。根据机床轴的误差自由度，采用九线误差辨识法对平动轴的六个基础误差以及平动轴间的三个垂直度误差进行求解；利用几何关系将回转轴的旋转误差、轴向跳动和径向跳动误差分解为六个基础误差。最后，针对计算出的磨齿机几何误差，进行了几何误差补偿方法研究。为了提高误差模型的实用性，进行了误差模型简化。在此基础上，针对YW7232数控磨齿机的840D数控系统环境，采用NC程序修正法进行机床几何误差补偿，并进行了磨齿机误差补偿实验。关键词：数控磨齿机，多体系统，几何误差，误差建模，误差补偿ABSTRACTGeargrindingisthemainwayofgearfinishing,theprecisionofwhichcanreachtointernationalstandard3-5.Withtheconstantrisingofgearaccuracyrequirement,domesticmanufacturingindustryhasanurgentdemandforhighspeed,precisionandlargeCNCgeargrindingmachine.Thegeometricerrorcausedbythemanufacturingandassemblyerrorshasbecomeanimportantfactorlimitingaccuracyofgeargrindingmachining.ResearchanddevelopmentoflargeCNCgeargrindingmachineinChinastartedrelativelylate,andthereisalargergapinperformanceindexcomparedwithadvancedforeignproducts.ThepaperiscarryingonthekeytheoryandtechnologyforincreasingaccuracyofCNCgeargrindingmachinetoolincludingmachinetoolgeometricerrormodelingtheory,methodoferrordetectionanderrorcompensationmethod.Themaincontentsofthisresearchareasfollows:Firstly,basedonmulti-bodysystemkinematicstheoryandhomogeneouscoordinatetransformationmethod,studymulti-axisCNCgeargrindingmachinegeometricerrormodeling,Analysisonerrorcases,studythegeometricdescriptionmethodofmulti-bodysystem.Forexample,YW7232typeCNCgeargrindingmachine,tosimplifythemachinestructureformultiplebodysystems,andtoestablishacoordinatesystem,themulti-bodysystembetweenadjacentmotionbodycoordinatechangematrixisdeduced.Machinetoolco