五轴机床机构运动精度的可靠性分析

五轴机床机构运动精度的可靠性分析

李翠玲1，王耿华2，杨强1，孙志礼1

（1.东北大学机械工程与自动化学院，辽宁沈阳110819；2.郑州轻工业学院机电工程学院，河南郑州450002）来稿日期：2012-03-06

基金项目：国家科技重大专项（2009ZX04014-014）；辽宁省博士科研启动基金资助项目（201120005）

作者简介：李翠玲，（1970－

），女，辽宁沈阳人，副教授，主要从事：摩檫学方面的研究1引言

装备制造业是关系国计民生的重大基础性产业。五轴联动加工中心是数控机床的高端产品，被认为是航空航天、船舶、军工等行业加工复杂零件的最重要的加工工具之一[1]。加工精度是机床的重要性能指标，可靠性设计是提高机床加工精度和使用寿命的有效手段。目前，我国中高档数控机床的可靠性设计仍处于起步阶段。国外一些科研人员利用机构学理论推导了五坐标机床的空间几何误差模型[2]。国外一些科研人员建立了多轴数控机床的准静态误差计算模型，用以考虑几何误差、回转轴误差、热误差和机床零部件弹性变形的影响[3]。科研人员运用多体系统理论和齐次坐标变换，建立了多轴数控机床通用的运动学综合空间误差计算模型[4]

。一些科研人员以一种三平移两转动五轴机床为研究对

象，利用齐次坐标变换推导了可以考虑几何误差和热误差的机构误差解耦计算式[5-6]。由于制造和装配中存在公差，载荷、驱动存在随机性等因素，机械系统存在一定的随机性。以往五轴机床运动精度分析中往往不考虑输入误差的随机性，必然造成评价结果不准确。以2R3T 型五轴机床为例，建立了完整的机构运动可靠性计算模型。最后通过算例证明了该方法的有效性。

2运动学分析

2.1机构描述及坐标系建立

某厂生产的一种2R3T 型五轴机床的结构示意图，如图1所示。机床共有9个构件，名称见图右侧，对应编号为（0~8）。机床采用龙门动横梁式结构，选配两轴转动工作台。滑板-横梁-滑枕（主轴箱）移动分别实现X 、Y 、Z 三坐标进给，配合双摆工作台绕X 、Z 轴的转动进给，实现五轴联动。

７８３

２１０

O ７O ８

O i i ＝（０￣３）

Z

Y

O ６

O ５

X

５

４O ４

０－

床身

１－挪动转台２－立转台３－工件４－横梁５－滑板６－滑枕７－主轴８－

刀具

６图1某2R3T 型机床结构示意图

Fig.1Machine Structure Schematic Drawing

如图1所示，各构件局部坐标系为（xyz ）i （i =0~8），坐标原点

摘要：五轴联动加工中心是数控机床的高端产品。运动精度是评价机构质量的重要考核指标。以往机床机构运动精度分析中，往往不考虑输入误差的随机性，造成评价结果不准确。应用齐次坐标变换，推导了一种2R3T 型五轴机床的运动学方程。基于多体系统理论，建立了机床的误差模型。考虑输入误差的随机性，推导了机构运动精度可靠性计算模型。机床机构运动可靠性分析为提高机床加工精度和使用寿命提供了一定的理论参考意义。关键词：五轴联动机床；运动精度；可靠性；误差；运动学；齐次变换中图分类号：TH16；TG659

文献标识码：A

文章编号：1001-3997（2013）01-0201-02

Kinematic Reliability Analysis of Five-Axis Machine Tool

LI Cui-ling 1，WANG Geng-hua 2，YANG Qiang 1，SUN Zhi-li 1

（School of Mechanical Engineering &Automation ，Northeastern University ，Liaoning Shenyang 110819，China ；2.College of

Mechanical and Electrical Engineering Zhengzhou University of Light Industry ，Henan Zhengzhou 450002，China ）Abstract ：Five-axis CNC machine tool is the t op product of numerically controlled machine tool.Kinmatic accuracy is an important index to evaluate the quality of mechanism.Kinematic accuracy analysis of the five-axis machine tool in previous

study ignores the randomness of each input error component ，so the conclusions are ing the homogeneous transformation ，inverse kinematics of a five-axis machine tool is calculated.Based on multi-body system theory ，error model of the machine tool is presented.Considering the randomness of every input error components ，math model of kinematic reliability of the mechanism is deduced.The calculation method of kinematics reliability is put forward.Kinematic reliability analysis provides some theoretical reference for improving the machining accuracy and operation life of machine tool.Key Words ：Five-Axis Machine Tool ；Kinematic Accuracy ；Reliability;Error ；Kinematics ；Homogeneous Transformation

Machinery Design ＆Manufacture

机械设计与制造

第1期

2013年1月

201