数控蜗轮加工机床几何误差建模及热误差补偿研究

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蜗轮加工机床作为蜗轮这一传动件制造的“母机”,其加工精度决定了齿轮机床、分度转台等装备的服役性能与使用寿命,因此,对于其精度的提升显得尤为重要。蜗轮加工机床制造精度受到多种误差源的影响,包括机床几何误差、热致误差、力致误差、刀具误差等,其中机床几何误差与热致误差占比最大。在探明蜗轮加工机床温度场变化与机床变形映射规律的基础上,将热致变形误差等效为机床几何误差进行建模和补偿,以实现蜗轮加工精度提升。因此,本文针对数控蜗轮加工机床几何误差及热误差建模补偿问题,展开了如下研究。(1)建立数控蜗轮加工机床几何误差模型。首先,根据蜗轮加工机床结构形式,进行直线轴与转动副几何误差分析,总结各轴误差项类别;然后,分析蜗轮滚刀加工工件斜齿面时,工件轴的附加转动问题,计算滚刀—工件联动参数;最后,基于多体系统运动学理论,推导理想状态及实际含几何误差状态下蜗轮加工机床传动链齐次坐标变换矩阵,建立机床几何误差—刀具空间位姿误差映射模型,将51项几何误差转化为刀具空间位姿误差,为机床几何误差的敏感性分析提供理论支撑。(2)进行数控蜗轮加工机床几何误差敏感性分析。首先,推导滚刀端面渐开线方程,基于齿轮啮合原理和双参数包络原理,建立蜗轮加工齿面接触啮合条件,通过求解该啮合条件方程,建立机床几何误差—齿面误差映射模型,计算获得蜗轮加工齿面接触点坐标;然后,基于上述模型,对蜗轮加工机床几何误差与成形精度进行敏感性分析,对关键误差项和敏感部件进行辨识,将分析结果与基于机床几何误差—刀具空间位姿误差模型的分析结果进行比较,验证本文分析结果的可靠性;最后,进行齿面误差对应关键误差项修正,仿真求得各齿面误差项消减情况,验证敏感性分析结果的有效性,为机床运动轴误差补偿及精度强化提供理论依据。(3)研究数控蜗轮加工机床热致误差建模补偿方法。首先,设计机床温度—热变形采集系统,基于此系统进行蜗轮加工机床热特性获取实验,对实验数据进行聚类筛选优化,选取典型温度变量作为预测模型输入以提升计算效率和精度;然后,基于广义回归神经网络建立蜗轮加工机床热误差预测模型,对灰狼优化算法进行适应该预测模型的改进,以实现对该神经网络关键参数光滑因子的优化,提升预测性能。基于上述热特性获取实验的数据,对预测模型进行训练,通过与现有相关预测算法进行预测精度和泛化性能比较,验证本文提出热误差预测模型的有效性;最后,针对WG3125CNC数控蜗轮加工机床,基于其国产华中HNC-8型数控系统进行误差补偿实验,补偿结果表明该预测补偿模型可有效减小蜗轮加工机床误差。
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