并联机床加工精度测试及补偿方法研究-毕设论文.doc
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1、 本科毕业设计(论文)并联机床加工精度测试及补偿方法研究毕业设计(论文)原创性声明和使用授权说明原创性声明本人郑重承诺:所呈交的毕业设计(论文),是我个人在指导教师的指导下进行的研究工作及取得的成果。尽我所知,除文中特别加以标注和致谢的地方外,不包含其他人或组织已经发表或公布过的研究成果,也不包含我为获得 及其它教育机构的学位或学历而使用过的材料。对本研究提供过帮助和做出过贡献的个人或集体,均已在文中作了明确的说明并表示了谢意。作 者 签 名: 日 期: 指导教师签名: 日期: 使用授权说明本人完全了解 大学关于收集、保存、使用毕业设计(论文)的规定,即:按照学校要求提交毕业设计(论文)的印刷
2、本和电子版本;学校有权保存毕业设计(论文)的印刷本和电子版,并提供目录检索与阅览服务;学校可以采用影印、缩印、数字化或其它复制手段保存论文;在不以赢利为目的前提下,学校可以公布论文的部分或全部内容。作者签名: 日 期: 燕山大学毕业设计(论文)任务书学院:电气工程学院 系级教学单位:自动化仪表系学号学生姓名专 业班 级仪表07-2题目题目名称并联机床加工精度测试及补偿方法研究题目性质1.理工类:工程设计 ( );工程技术实验研究型( );理论研究型( );计算机软件型( );综合型( )2.管理类( );3.外语类( );4.艺术类( )题目类型1.毕业设计( ) 2.论文( )题目来源科研课
3、题( ) 生产实际( )自选题目( ) 主要内容1. 并联机床加工精度测试及误差的主要分析方法;2. 影响并联机床加工精度因素分析;3. 并联机床加工误差补偿方法研究;4. 基于MATLAB的算法模拟仿真。基本要求1 方案设计合理、查阅文献充分;2 理论分析正确、论证严密;3 设计、仿真模型可靠,结果与理论相符;4 毕业设计论文符合撰写规范、要求。5 查阅一定的英文相关文献,并翻译其中的一篇。6 遵守毕业设计纪律,独立完成毕业设计任务。参考资料1. 五轴联动并联机床关键技术,赵辉著,知识产权出版社,20082. 确保并联机床定位精度的几项措施J. 工具技术,2010,44(2)3. 3-TPT
4、型并联机床的精度分析与仿真J.中国机械工程,2008,19(11)4. 相关文献资料若干周 次第1 4周第5 8周第912周第1316周第1719周应完成的内容查阅资料阅读文献方案论证总体设计理论分析模型建立软件设计仿真调试撰写论文准备答辩指导教师:谢平职称: 教授 2010年12月13日系级教学单位审批: 年 月 日摘要摘要并联机床是知识密集型机电一体化制造设备,具有高刚度、高承载能力、高速度、高精度、重量轻、机械结构简单、标准化程度高和模块化程度高等优点。但并联机床的开发与应用还未达到现有高精度传统机床的水平,主要原因:加工精度达不到高精度传统机床水平,关键零件批量生产质量不稳定。本文以清
5、华大学设计的新型3自由度并联机构为研究对象,对提高并联机床运动精度的静态误差补偿方法进行了研究。首先,基于并联机床的运动学分析。运用闭环矢量方法,对并联机床结构和自身制造误差源的分析,得到并联机器人的误差模型。以此基础定量分析并联机床结构参数误差变化对输出误差的影响,综合误差影响规律,为误差补偿方法研究提供理论基础。其次,并联机床加工精度测试是目前并联机床的研究热点和难点,因其末端平台的高自由度,用传统的方法较难进行精度测试。本文简要介绍了机床的加工精度测试技术,在分析光栅尺工作原理的基础上,设计用光栅尺测量机床误差的方法。再次,以误差模型分析为基础提出基于粒子群算法的并联机器人误差补偿方法,
6、针对驱动杆误差、滑鞍位移误差和制造误差,通过鸟类寻优,对滑块位移误差寻优,将并联机器人输出位置误差进行补偿。通过数值仿真验证利用粒子群算法补偿并联机器人位姿误差的有效性。本文分析了并联机床的运动过程,结合正逆解析方法,编写了机床运动仿真程序,并提出了有补偿时并联机床运动仿真的方法。根据补偿仿真方法,对并联机床误差求解及机床误差补偿方法进行了仿真验证,通过仿真实例的计算,证明本文提出的并联机床误差补偿方法是有效的。关键词并联机构;误差建模;光栅尺测量;误差补偿;粒子群算法;I 燕山大学本科生毕业设计(论文)AbstractParallel machine tool is knowledge-in
7、tensive manufacturing equipment. technology of parallel machine tool is integrated technology of machine and technology of robot. It has many advantages such as high stiffness, good carrying capacity high velocity high precision, small weight, simpie mechaIlism struture and high blockingBut its appl
8、ication faces some difficulties, such as: the smaller work space, worse accuracy, rarely research on the accuracy design and dynamics, worse quality of key parts. One of important issues in using PKMs is accuracy. So this paper, the new 3-DOF parallel mechanism which designed by Tsinghua University
9、is the research object and researched the static error compensation of PKMs for the better kinematic accuracy. First, the model of the pose error of parallel kinematic machine too is established based on machine too inverse kinematics solution using closed-loop vector method and the differential bet
10、ween input and output of the parallel kinematic machine too; and output pose error of the structural parameters error and the error is further comprehensive researched. integrated error of law, for the error compensation methods provide a theoretical basis.Second, Describes the techniques of machini
11、ng tool measuring, and then analysising grating principle, introcduce the mechod of measuring error machine tool .Finally, the PSO applying for pose error compensation of parallel machine tool is proposed on the error analysis; for the error of the structural parameters and saddle displacement error
12、 and the manufacturing error is obtained by updating the pheromone to guide the birds, search repeatedly and optimizing the error of saddle displacement error. The result of numerical simulation indicates that PSO is able to realize the compensation of the pose error of parallel machine tool, effect
13、ively.This paper programmed the motion emulation of PKMs, based on its kinematic analysis and motion procedure, especially proposed the emulating method of the compensated motion. The proving program was put forward for the method of calculating machine errors and error compensation, based on emulat
14、ion method. The four examples expressed in this paper proved that the error compensation is right.Keyword sparallel machine tool; Error modeling; Grating; Error compensation ; Particle swarm optimizationIII 目 录摘要IAbstractII第1章 绪论11.1 课题背景11.1.1 单击此处输入条标题1第2章 单击此处输入章标题12.1 单击此处输入节标题1第3章 单击此处输入章标题13.1
15、 单击此处输入节标题1结论2参考文献3致谢4附录15附录26III章及标题 第1章 绪论1.1 课题研究背景和意义制造业是为国民经济各部门和国防建设提供技术装备的重要基础产业,无论是在工业发达国家还是在发展中国家,其综合国力的基础都是制造业,它的每一次飞跃都会给人类社会带来深远的影响,可以说,没有发达的制造业就不会有国家的发达与强大。随着科学技术的高速发展和新技术革命的冲击,制造业的基础技术也发生了质的改变。传统的制造技术与计算机技术、信息技术、自动化技术、新材料技术、管理技术相结合,先后出现了多项先进制造技术与制造模式。而在机械加工领域,科技工作者一直坚持不懈地为追求完美的加工设备而努力。作
16、为先进制造技术的基础设备,数控机床与数控加工中心主要应用于汽车、飞机、电力、船舶和机车车辆等工业领域,另外,一些新兴的高科技项目,如现代医药产业、数字通讯技术、微电子元件及机电一体化产品等,都需要数控机床来制造,数控机床的制造与应用水平制约着这些领域的发展,尤其是在我国,对机床的精度和效率提出了更高的要求。20世纪90年代后,市场对加工设备的精度、速度、加工灵活性及加工装备自身的生产周期和成本等不断提出了更高的要求。传统的数控加工机床已不能满足更高的要求,于是各国都在积极探索和研制新型多功能制造设备与系统。在这样一种背景下,并联机床应运而生。和传统的机床相比,并联机床具有以下优点1:(1) 并
17、联机床中的运动平台所受外力由所有分支共同承担,各杆受力要比总负荷小,且这些杆件只承受拉压载荷,而不承受弯矩和扭矩,从而使并联机床整个系统的刚度有较大提高;(2) 由于并联机床运动部件的质量小,运动部件惯性的大幅度降低,有效地改善了伺服控制器的动态品质,可以实现很高的进给速度和加速度,适于高速加工,从而缩短加工时间,提高生产效率;(3) 组成部件少,结构简单,而控制软件复杂,是一种技术含量很高的机电一体化产品;(4) 并联机床主轴的空间位姿灵活,可以从任何角度进入工作表面,因而易于实现对表面形状复杂、孔隙方位多的零件的加工。由于并联机床具有以上优点而被广泛的研究应用,但并联机床的各种误差的存在使
18、得输出端位姿精度下降,这在一定程度上制约了并联机床的应用。并联机床最为关键的指标是加工精度,加工精度更大程度上决定这其性能和价格。并联机床位姿精度的影响因素主要有:设计误差、加工制造装配误差,机构传动误差、铰链间隙误差以及工作环境引起的误差等各种因素2。每一种因素的存在都将会影响并联机床输出位姿精度,因此,并联机床位姿误差分析与补偿的研究引起了许多研究者的重视。但在并联机床误差分析与补偿的传统研究方法中,没有充分探讨并联机床尺寸对误差的影响程度,对于并联机床的终端误差往往不考虑其中元素之间的差别,对影响误差的因素也很少做区分。因此考虑多因素综合影响作用下,并联机床位姿误差分析与补偿问题显得越来
19、越重要,通过对并联机床误差分析与误差补偿的深入研究,无疑可以提高并联机床位姿精度和系统性能,并为其应用研究奠定一定的理论基础,具有重要的理论意义和实用价值3,4。1.2并联机床的发展概况并联机床的理论基础是空间并联机构理论,Clerk J. Maxwell和 A. annheim早在18901894年就进行了空间机构理论的研究5。1966年D. Stewart发表A Platform with Six Degrees of Freedom,根据其在飞行模拟器上应用的自由度并联机构6,提出著名的Stewart(如图1-1,1-2)平台机构,阐述了6自由度并联机构组成理论,随后6自由度并联机构都被
20、称为Stewart平台。但开始,人们还只是对这种机构停留在理论分析7,8。图1-1 Stewart平台图1-2 Stewart平台示意简图1994年,美国的Gidding&Lewis公司在芝加哥国际博览会(IMTS94)上展示了名为Variax(如图1-3)的数控机床和加工中心,引起轰动。揭开了数控机床发展史上新的一页。这种基于并联机构的数控机床开始受到人们的关注并且很快成为制造业中的一个研究热点。图1-3 Variax型并联加工中心从图中可见,6根由伺服电动机驱动的伸缩杆。借助万向铰固定在下平台上这种结构也被称为“6条腿(Hexapod)”。丝杠的螺母通过万向铰支承着上平台杆件长度的伸缩使带
21、有主轴部件的上平台完成加工零件所需的运动。1995年,美国另一家著名机床生产厂家Ingersoll Milling Machine Rockford公司也推出了基于并联机构的加工中心:Octahedral Hexapod VOH-1000。该机床除了能够实现多功能铣削加工之外,还可以作为综合测量机、轻型压床等使用。但是由于种种原因,Ingersoll机床也没有投入生产实际应用。两台VOH-1000型立式加工中心分别交付给美国国家标准和技术研究所和美国国家宇航局进行研究。它们的研究结果对并联运动机床的发展起到很大的促进作用。到1997年的德国汉诺威国际机床展(EMO97)上,各国展出的并联机床样
22、机就已经达到了10多种。97年以后,世界各国都加紧了对并联机床的研制,在2001年的德国汉诺威国际机床展(EMO2001)上,已有多个国家的30余台并联机床参展。比较著名的有瑞典的Neos Robotics公司、瑞士的ETH公司、日本的Toyada公司、俄罗斯的Lapik公司、德国的Mikromat公司、韩国Sena公司。在并联机床发展初期,主要为六自由度并联机床,后来比较多出现的是三自由度并联机床。之后,逐步有具有其他自由度的并联机床出现,同时混联机床也开始逐步出现。在经过随后持续三年的全球跟进浪潮后,并联机床在世界范围内已逐渐降温。这是因为并联机床在理论和实践上有一系列的难冠。难以在短期内
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