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时间：2020-10-19 12:27:36 来源：勤学考试网 本文已影响 人 
论文范文：数控机床滑枕悬伸变形偏差实时检验科技概述
1绪论
1. 1研究背景
1.1.1当代机床制造业的发展
制造业在世界工业化进程中始终发挥着主导作用。对一个国家的国防建设和国民经济具有重大意义。科学只有通过技术(特别是制造技术)才能将潜在的生产力转化为现实的生产力。因此,制造业是实现现代化工业的水之源、木之本,是实现现代化工业的保障和原动力,是国家实力的脊梁,是支持共和国大厦的基石,没有强大旳制造能力的国家永远成不了经济强国[1]。
制造业在向着先进的生产方式经历着重大变革。高速化、高精化是制造业的不断追求,尖端技术和国防工业的发展也有赖于精密和超精密加工技术。美国、德国和日本之所以成为世界上制造业最为发达、发展最快的国家,主要在于精密及超精密制造业领域有着世界其他国家无可比拟的先进性[2]。
美国和德国早在上个世纪70年代就幵始批量生产超精密机床产品[3]。图1.1所示为美国Moore公司上世纪生产的五轴联动500FG型超精密机床,主轴回转误差
日本是微电子和家电产业非常发达的国家,这不得不归功于多功能和高效专用超精密机床的发展。从70年代开始,为了紧跟美、英、德三国的科技发展步伐,日本集中了大量的人力物力投入到精密及超精密加工技术的研究方面。在付出巨大代价的同时,也取得了显著的经济效应。如今,日本在汽车、半导体等领域已超过美国,精工产品远销海外。日本在丝杠与导轨制造方面的先进性也从另一侧面反映出了曰本精密加工技术上的成熟性及其雄厚的制造能力,即使在“高、精、尖”科技幵发上仍旧难以与美国竞争[5]。
我国是一个近年来发展迅猛的制造业大国,机床制造年产量已赶超德国,仅次于美国、日本而处于世界第三位[6],同时也是世界机床的最大消费国和进口国。然而中国制造业大而不强,与制造业发达国家相比,我国尚处于受制于人的境况,机床制造业的技术水平与世界发达国家存在明显差距,因此核心技术不得不依赖国外,高端数控和精密设备严重依赖进口,且呈逐年大幅攀升的趋势。此外,国内机床制造业的技术水平及质量没有真正被世界认可,出口大多为廉价的中低档次机床,且市场仅为亚洲及周边地区国家。
全球经济形势正值严峻时期,一方面,我国的廉价劳动力优势正在逐步丧失;另一方面,国际政治形势也对我国的科研领域提出了更高的要求。特别是应用于航空航天、国防科研领域的尖端技术,各国均采取技术保密政策,甚至有发达国家由于涉及国防和许多尖端技术,在精密数控装备和仪器方面对我国实行技术封锁,这就对我国机床制造业的自主研发提出了更高的要求,各种复杂的高精度零件、光学零件、高精度平面、复杂曲面的加工都成为了亟待解决的课题。因此,我国必须给予机床制造业更多的重视及投入,结合当前迅速发展的高精密仪器仪表、光学技术,实现精密及超精密加工技术水平的整体提升。
1.1.2数控机床的技术革新
现代制造技术在注重工艺适用性和经济性的同时,高精化、高速化、高效化、柔性化、智能化和集成化是其总的发展趋势。数控机床的诞生如同机械制造业的一次新的技术革命,开创了控制和生产领域的新时代。
通常,数控机床的加工精度主要包含数控系统精度、伺服精度及机床精度,而机床精度中的加工精度、定位精度和重复定位精度是衡量数控机床性能优劣的三项重要精度指标,体现着机械制造业的制造能力和发展水平,也是整个国家制造业发展水平的重要标志之一[7]。三项指标中,加工精度是数控机床所追求的终极精度。上个世纪末期,加工精度已于500年内提升了 100倍左右,当前的普通加工的精度相当于上世纪精密加工水平[8],见图1.2。纵观整个数控机床制造业,当前高档加工中心的工作精度己达60年前以高精度著称的坐标键床的工作精度[9]。
2滑枕下垂变形的理论分析
2.1概述
滑枕作为大型卧、立式统键床的关键部件,有利于保证机床主轴或刀具加工延伸时的机械刚性和精度,可以很好地避免主轴或刀具过长时,机械刚性下降造成的扭矩不集中和抖动。它需要具备结构性强,接触面宽的特点,并且必须配合整体进行精密研磨加工,实现非常高的配合精度,通过导轨和滑块与机床床身立柱相配合可实现竖直方向上的运送。因此在加工过程中,十字滑座带动滑枕可沿床身立柱上下升降,同时滑枕可沿滑座中的水平滑块做伸出和回缩运动,以此完成各种复杂的加工要求。因此,滑枕的动态性能将直接影响整个机床的加工精度、精度稳定性和抗振性,见图2.1。
3滑枕下垂变形的实时检测方案...............20
3.1 概述...............20
3.2非接触式光学测量技术在机床在线检测中的应用...............20
3.3实时检测系统的光路设计及原理...............21
3.4检测系统的硬件配置...............24
3.5信号调理电路的设计...............34
3.6检测系统的软件设计...............37
3.7 本章小结...............40
4 检测系统的精度分析...............41
4.1概述...............41
4.2检测系统的干扰信号分析...............41
4.3测量电路精度验证及分析...............49
4.4误差因素分析...............54
4.5 本章小结...............61
5滑座倾斜误龙检测模拟实验...............62
5.1概述...............62
5.2实验方法及原理...............62
5.3实验装置的安装及校准...............63
5.4检测过程及结果分析...............64
5.5本章小结...............65
结 论
滑枕结构作为高档数控装备的关键零部件,其性能直接影响数控装备的加工精度,对滑枕变形误差的研究具有明确的应用背景与重大的研究价值。为实现在复杂工况下滑枕下垂变形误差的快速、精确补偿控制,本论文根据滑枕的结构特性,在分析滑枕的复杂悬伸变形演变规律的基础上,提出一种针对滑枕下垂量误差的双探测器集成的在机测量方法,并重点探讨了非干涉光直接探测法的应用可行性、探测原理、数据处理、误差分析、应用于航空航天领域某双工位铣床检测系统的幵发及其他关键问题,主要的研究工作和创新之处在于:
(1)通过对滑枕悬伸变形补偿技术的国内外现有研究成果的充分调研,分析了各补偿方法最大的弊端在于停机检测的偏离性与幵环补偿的滞后性,实现复杂工况下的在机实时补偿才是解决滑枕低头现象的最佳方法。
(2)分析滑枕的材料、结构及受力情况,应用ANSYS模拟滑枕在不同接触条件下的变形特征,得出滑枕的下垂变形误差来自于挠曲变形、配合部位的受力不均匀以及切削载荷等多种因素的共同干扰作用,得出高精密的实时检测是实现滑枕悬伸变形的快速、精确补偿控制的第一个关键技术难题。
(3)基于非接触测量中PSD对非干涉光源的直接探测技术,设计了应用于某双工位铣床的光路。完成了测量电路软硬件系统的幵发,并对电路的空间抗干扰性能、位置检测精度及非线性进行了相关研究,实验结果表明,该方法可以实现快速、高精度的在机测量,并达到0.01mm的定位精度,线性度可达0.128%。
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