面向对象的数控机床在机测量系统关键测量精度保证技术研究

There exist dynamic and correlation of CNC on-machine measuring system error while doing high speed measurement. The existing accuracy guaranteeing technology is lack of consideration on the error correlation, lack of strategy optimization method. In view of these problems, the critical point of the machine tool thermal deformation error will be determined and be used as a error compensation reference point of measurement system in this project. And the accurate prediction model of the grating measuring system zero drift error and indication error will be established under the effect of temperature and speed. The two-dimensional Abbe error correlation of three dimensional guide system while moving in one direction will be analyzed. The instantaneous motion center of the workbench will be determined and be used to calculate the accurate Abbe arm. The comprehensive error compensation model and error compensator of on-machine measuring system in accordance with the actual working conditions will be established by improving the method of multibody system theory model to realize the high precision real time compensation of dynamic error, which learn from the mature research results of thermal error and probe system error. The measuring point error variation principle in measuring space on-machine measuring system will be analyzed based on the above study under different measurement strategies. The method to intercept and determine the optimal object-oriented measurement area of common measurement object will be researched to optimize the measuring strategy and to realize the high precision measurement with high speed. A three-axis CNC machine tool will be selected to carry on the processing and measuring verification experiment measurement. The acquired results can be used to improve the measuring accuracy of on-machine measuring system and to implement efficient measurement, which will have good theoretical and practical values.

数控机床在机测量系统高速测量时误差存在动态性、相关性，现有精度保证技术对其考虑不足，同时欠缺测量策略优化方法。针对存在的问题，项目拟通过确定机床床身热变形误差临界点，获得测量系统误差补偿参考零点，建立温度、速度作用下的光栅系统零位漂移误差和示值误差的精确预测模型；分析三维导轨系统单向运动两维阿贝误差相关性,，通过确定工作台瞬时运动中心，精确计算阿贝臂；借鉴成熟的热误差和测头系统误差研究成果，改进多体系统理论模型，建立符合实际工况的在机测量系统综合误差补偿模型，并研制误差补偿器，实现测量系统动态误差的高精度实时补偿；在此基础上分析不同测量策略下的在机测量系统测量空间内的测量点误差变化规律，研究面向测量对象的最佳测量区截取与确定实用方法，优化测量策略，最终实现高精度、高效测量，并在三轴数控机床上进行加工测量实验验证。研究成果对提高在机测量系统测量精度和实现高效测量具有很好的理论与实际指导价值。

数控机床在机测量系统现有精度保证技术缺乏考虑实际工况（温度、速度、空间坐标）的影响，对误差动态性、相关性考虑不足，同时欠缺测量策略优化方法。针对存在的问题，本项目以三轴数控机床在机测量系统为研究对象，首次提出热变形误差临界点概念，研究了其确定方法，设计了数控机床床身热变形误差临界点确定实验验证装置，验证了确定方法正确性及通用性，减小了机床热误差对光栅零点漂移误差和附加示值误差的影响，该研究成果对于减小其他数控机床热误差的附加影响具有指导价值。研究了数控机床导轨系统两维阿贝误差的相关性，建立了数控机床XY工作台动态定位误差理论计算模型，首次提出了“最佳测量速度”概念，搭建了相关性误差验证实验平台，利用该平台完成了相关性误差的测量与预测实验，验证了误差相关性和XY工作台动态定位误差理论计算模型正确性和最佳测量速度的存在。提出了工作台“瞬时旋转中心”的概念，研究其确定方法，利用相关性误差实验平台和三向速度传感器搭建了瞬时旋转中心验证实验装置，实现了阿贝臂的精确计算。综合考虑机床实际工况涉及的温度、速度、位置等多种因素影响，建立了基于瞬时旋转中心的在机测量系统综合误差补偿模型，有效提高了在机测量系统单点测量误差预测精度。基于DSP系统设计了误差补偿器，完成了对数控机床在机测量系统速度、温度等多因素作用下各单项误差的实时采集与测量以及综合误差的补偿，有效提高了单点测量误差补偿效果。研究了在机测量系统最佳测量区确定方法，借助标准长度的量块、标准环规、标准球设计实验装置，完成了三轴数控机床在机测量系统面向典型测量对象（点、线、圆、球）的最佳测量区确定实验，验证了确定方法有效性。所确定的最佳测量空间和最优测量速度可以指导在机测量系统测量工艺、策略制订，为实现低精度在机测量系统实现高精度测量奠定了良好基础。本项目研究成果对提高在机测量系统测量精度和实现高效测量具有很好的理论与实际指导价值。

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