精密和超精密机床精度建模技术

学习汇报CONTENTS123学习进度遇到问题未来计划1学习进度1学习进度超精密机床知识学习1.几何精度建模2.精度模型和应用3.刀具及加工表面形貌建模4.激光干涉仪误差检验5.虚拟加工技术1几何精度建模1.误差的基本知识精准度，重复度，分辨率的概念误差特性和分类（系统，时变，随机性，过失）表面粗糙度（参数）及评价2.精密机床的发展和误差描述加工的尺寸、形状精度：精密加工技术：0.1~1μm，Ra≤30nm超精密加工技术：0.1~100nm，Ra≤10nm超精密加工条件误差分析：外部误差，内部误差。建模目的：主要建立机床几何误差和刀具成形误差的模型。机床几何误差项（每个轴有6项基本误差）精密和超精密机床加工精度要求1几何精度建模3.几何精度建模理论发展4.多体误差分析与建模运动学理论概述多体系统几何结构（描述方法：1.基于图论；2.低序体阵列）作用：几何描述（典型体Bj相对于Bi的运动情况—方阵—多体系统坐标系）转变矩阵（理想运动）坐标变换，平移，旋转1几何精度建模转变矩阵（实际运动）函数变分概念变分阵=应变阵+旋转阵+纯平移阵静止状态——误差取决于联接精确性和内外因素影响运动状态——误差取决于运动精确性和运动量线误差和角误差的变换阵5.多体系统动力学方程零级运动方程？（理想和实际）6.多体系统约束结构约束（自由度）相对运动约束（约束方程）1几何精度建模7.多轴机床成形运动运动轴命名—机床分类成形运动（刀具与零件的相对运动）成形点，刀具轨迹，成形函数XYZTTTRR2精度模型和应用1.超精密车床和大型超精密五轴机床成型运动和空间误差建模拓扑结构、低序体阵列和特征矩阵（与第一章基础类似，运用到实际机床中）主要误差：工件装夹误差，主轴误差，导轨误差，工作台定位误差，机床非刚体误差机床的特征矩阵（理想与实际运动）—成形函数与运动约束方程2.超精密回转轴系的误差建模6项基本误差：定位误差，滚转误差，位移误差，颠转误差，偏转误差（误差识别）测量方法：回转误差——在用三个传感器进行零件和主轴误差的分离主轴偏角误差——打表找正，试车法，检测盘然后误差分离3.滚珠丝杠的特性和精度分析微动特性：丝杠在传递微米甚至纳米级的运动时表现出来的特性宏观运动特性：丝杠在传递宏观运动时表现出来的运动特性结论：丝杠的轴向受力变形和扭转变形均是线性的，唯有滚珠与滚道之间的接触变形是非线性的。滚珠与丝杠，滚珠与螺母之间是弱刚度环节，刚度和预紧力是非线性的。机床进给机构中的接触刚度决定了机床进给机构的刚度。2精度模型和应用传动机构的摩擦摩擦机理：弹性滞后，塑性变形，界面粘着，界面微滑传动机构的反向间隙静态间隙和动态间隙开环系统：“切顶”现象（半）闭环系统：对系统稳定性和输出轨迹光滑性的影响超精密加工必须消除传动间隙——预紧法滚珠丝杠对直线度的影响（变形，自重……）3刀具及加工表面形貌建模本章主要结合了刀具的几何形状、进给速度、主轴转速、刀具与工件的相对振动等影响因素，进行建模仿真1.建模建模方法：1.有限元法；2.分子动力学模拟法；3.运动学和切削机理的分析方法2.刀具模型和轮廓加工误差切削刃：单点刃刀具，线形刃刀具，面形刃刀具直线轮廓误差：实际位置与刀具指令直线轨迹的最小偏差。曲线轮廓误差自由曲面轮廓误差误差表达方法。3.精密车削的建模和分析拓扑结构和特征矩阵刀具模型方程-车刀轨迹参数方程仿真4.非球面面形建模和分析a.杯形砂轮（加工陡度高）；b.平行砂轮；c.球形砂轮（修整）d.离轴非球面的加工方式误差分析：加工残留误差直接影响工件的面形精度砂轮形状误差（磨损，安装倾角）3刀具及加工表面形貌建模5.单点超精密车削影响加工表面形貌：切削刃的几何形状、进给速度、主轴转速以及振动（刚度）刀具干涉：过切和欠切现象刀具干涉与切削参数包括切削刃圆弧半径，进给量以及振动频率幅值有关。6.飞切加工三维形貌仿真飞切加工表面形貌建模算法7.超精密车削表面特性分析与相对振动FFT分析表面轮廓径向轮廓：a.进给量对工件表面频谱的影响b.振动对工件表面频谱的影响周向轮廓：振动的影响螺旋方向：进给量内的起始点相关4激光干涉仪误差检验机床误差检验与性能评价：1.综合误差检验评定；2.单向误差检测评定1.激光干涉仪基本原理a.双频激光干测量仪b.新型单频激光干涉测量仪应用：鉴定检验仪器，机床的反馈元件光线受环境条件约束2.九线法基本思想：利用工作台坐标系中9条直线上的位移误差和直线度误差来识别三轴机床的所有21项基本几何误差误差辨别过程：测量误差——建立方程——求解3.十二线法（9条边+3条对角线）初始点出发3条边——位移误差另外6条边——颠摆和偏摆误差3条对角线——滚摆误差九线法，十二线法，十四线法，十五线法，二十二线法4.试验系统结论：九线法与十二线法的结果比较接近，只有垂直度误差差距较大。5虚拟加工技术1.虚拟加工构成：虚拟加工环境，虚拟机床加工系统，虚拟加工过程和可视化加工精度评定系统2.虚拟加工过程5虚拟加工技术3.误差补偿策略修正数控：1.直接计算出实际数控指令；2.在理论数控指令上叠加一个附加指令。虚拟加工仿真6响应面法1.响应面：输出响应变量Y与一组输入变量x（x1，x2…xn）之间的函数关系。作用：1.模型近似；2.设计空间探索；3.优化问题的准确表达；4.优化方法的支持。构造：1.在设计空间内采集点，形成设计点集S；2.仿真计算，获得响应数据集Y；3.根据不同的算法由S和Y构造不同的响应面模型。使用时考虑的因素：1.响应面的精确度；2.源模型的仿真估值次数；3.构建和优化响应面的时间4.响应面占用的储存空间；5.利用响应面模型对给定点的估值数速度。2.实验设计方法1.经典采样：（1）全因子试验：将试验的各个因素在各个不同水平下的完全组合来做试验的方法。（2）部分因子试验（3）中心复合试验（二次多项式响应面模型）2.全空间分布采样：（1）网络采样；（2）拉丁超立方采样；（3）正交表设计3.自适应序列试验设计法4.常用响应面模型（1）多项式回归模型RSM（2）标准kriging模型2问题反馈12零级运动方程的来源目前看到响应面法还是比较抽象，就懂得一些表面的理论，至于如何构造还不是很清楚问题2问题反馈3未来计划计划3未来计划第一阶段：先把握好基础学习，看看相关的论文，学习一下别人的一些实验方法，误差测量方法和响应面法优化方法。第二阶段：做实验，然后用学到的知识分析，判断加工表面的形成过程，误差的形成过程，然后列出方程公式，最后用响应面法优化方程，得到最优解。第三阶段：组织好语言，写成论文。致谢感恩THANKSTO