机械工程学报 ›› 2025, Vol. 61 ›› Issue (21): 446-454.doi: 10.3901/JME.2025.21.446
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李天箭1, 黎峻刚1, 王瀚1, 丁晓红1, 林志俭2
收稿日期:2024-11-18
修回日期:2025-06-02
发布日期:2025-12-27
作者简介:李天箭,女,1975年出生,博士,副教授。主要研究方向为机床设计理论与方法。E-mail:litianjian99@163.com
LI Tianjian1, LI Jungang1, WANG Han1, DING Xiaohong1, LIN Zhijian2
Received:2024-11-18
Revised:2025-06-02
Published:2025-12-27
摘要: 随着机床精度的提高,明确有效的机床校准方法与方案日益成为困扰高精密机床研发、生产和应用行业的难题。本文从机床校准的三个主要技术要素——机床加工误差的建模理论、测量方法和补偿策略出发,以构建机床等效运动学误差函数为基础,提出一套完整的包括特征样件设计加工测量方法和机床带载加工补偿策略的高精密机床精度校准方法并应用于实际高精密机床校准中。首先,基于多体系统理论建立从刀具到工件的机床完整运动链的运动误差模型,明确机床的运动误差与被加工件的几何误差之间的数学映射关系。进而,对机床运动关系进行分析,确定9个等效运动误差函数表征三轴机床的21个运动误差。第三,设计、加工和测量特征样件,实现等效运动误差解耦和带载条件下等效运动误差解析和预测。最后,将带载条件下等效运动误差数据写入机床加工程序,加工并测量典型试件,校准后机床加工零件的同心度、垂直度、平行度、倾斜度等误差减小12.31%~74.47%。基于等效运动学误差的高精密机床精度校准方法在不需要分辨机床误差来源的条件下,预测机床被加工件的几何误差并进行补偿,实现机床精度性能表征、验证、维护和改进。本研究为机床厂商和终端用户提供了一种简易有效的带载精度校准方法。
中图分类号:
李天箭, 黎峻刚, 王瀚, 丁晓红, 林志俭. 基于等效运动学误差的高精密机床精度校准研究[J]. 机械工程学报, 2025, 61(21): 446-454.
LI Tianjian, LI Jungang, WANG Han, DING Xiaohong, LIN Zhijian. Research on Accuracy Calibration of High-precision Machine Tools Based on Equivalent Kinematic Errors[J]. Journal of Mechanical Engineering, 2025, 61(21): 446-454.
| [1] GAO W,IBARAKI S,DONMEZ M,et al. Machine tool calibration: Measurement,modeling,and compensation of machine tool errors[J]. International Journal of Machine Tools and Manufacture,2023,187:104017. [2] 刘阔,宋磊,陈虎,等. 机理驱动的数控机床进给轴时变误差建模和补偿方法[J]. 机械工程学报,2022,58(3):251-258.LIU Kuo,SONG Lei,CHEN Hu,et al. Mechanism-driven method for time-varying error modeling and compensation of CNC machine tool's feed axes[J]. Journal of Mechanical Engineering,2022,58(3):251-258. [3] 夏长久,王时龙,徐凯,等. 基于球杆仪单轴运动测量的旋转轴几何误差辨识[J]. 仪器仪表学报,2020,41(7):19-28. XIA Changjiu,WANG Shilong,XU Kai,et al. Geometric error identification of rotary axes based on uniaxial motion measurement of double ball bar[J]. Chinese Journal of Scientific Instrument,2020,41(7):19-28. [4] TIAN Ang,LIU Shun,CHEN Kun,et al. Spatial expression of assembly geometric errors for multi-axis machine tool based on kinematic Jacobian-torsor model[J]. Chinese Journal of Mechanical Engineering,2023,36(1):44. [5] 中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局,中国国家标准化管理委员会. GB/T 20957.7—2010精密加工中心检验条件第7部分:精加工试件精度检验[S]. 北京:中国标准出版社,2010.General Administration of Quality Supervision,Inspection and Quarantine of the People’s Republic of China,Standardization Administration of the People’s Republic of China. GB/T 20957.7-2010 The conditions for precision machining centres - Part 7:Accuracy of a finished test piece[S]. Beijing:Standards Press of China,2010. [6] 李杰,谢福贵,刘辛军,等. 五轴数控机床空间定位精度改善方法研究现状[J]. 机械工程学报,2017,53(7):113-128.LI Jie,XIE Fugui,LIU Xinjun,et al. Analysis on the research status of volumetric positioning accuracy improvement methods for five-axis NC machine tools[J]. Journal of Mechanical Engineering,2017,53(7):113-128. [7] LIU Wenjun,ZHANG Song,LIN Jianghai,et al. Advancements in accuracy decline mechanisms and accuracy retention approaches of CNC machine tools:a review[J]. The International Journal of Advanced Manufacturing Technology,2022,121(11):7087-7115. [8] 仇健. 数控机床切削性能测试典型试件综述[J]. 制造技术与机床,2014(9):193-203. QIU Jian. Review on typical part for cutting test of NC machining centre[J]. Manufacturing Technology and Machine Tools,2014(9):193-203. [9] 王伟,陶文坚,李晴朝. 五轴数控机床动态精度检验试件特性研究[J]. 机械工程学报,2017,53(1):101-109.WANG Wei,TAO Wenjian,LI Qingzhao. Research on characteristic of test specimen for five-axis CNC machine tools[J]. Journal of Mechanical Engineering,2017,53(1):101-109. [10] IBARAKI S,SAWADA M,MATSUBARA A,et al. Machining tests to identify kinematic errors on five-axis machine tools[J]. Precision Engineering,2010,34:387-398. [11] IBARAKI S,OKUMURA R. A machining test to evaluate thermal influence on the kinematics of a five-axis machine tool[J]. International Journal of Machine Tools and Manufacture,2021,163:103702. [12] 梅盛开,李松,袁伟,等. 基于样件测试法的五轴机床误差辨识方法[J]. 郑州大学学报,2021,42:94-98. MEI Shengkai,LI Song,YUAN Wei,et al. Error Identification method of five-axis machine tool based on sample test method[J]. Journal of Zhengzhou University,2021,42:94-98. [13] ERKAN T,MAYER R,DUPONT Y. Volumetric distortion assessment of a five-axis machine by probing a 3D reconfigurable uncalibrated master ball artefact[J]. Precision Engineering,2011,35(1):116-125. [14] PEZESHIKI M,AREZOO B. Kinematic errors identification of three-axis machine tools based on machined work pieces[J]. Precision Engineering,2016,43:493-504. [15] 陈东菊,董丽华,高雪,等. 基于“S”形加工样件的复合数控机床几何误差逆向追踪[J]. 机械工程学报,2016,52(21):166-174.CHEN Dongju,DONG Lihua,GAO Xue,et al. Error tracing of the complex CNC machine tools based on “S” shaped workpiece[J]. Journal of Mechanical Engineering,2016,52(21):166-174. [16] 刘又午,刘丽冰,赵小松,等. 数控机床误差补偿技术研究[J]. 中国机械工程,1998(12):54-58,5. LIU Youwu,LIU Libing,ZHAO Xiaosong,et al. Investigation of error compensation technology for NC machine tool[J]. China Mechanical Engineering,1998(12):54-58,5. [17] 董泽园,李杰,刘辛军,等. 数控机床两种几何误差建模方法有效性试验研究[J]. 机械工程学报,2019,55(5):137-147. DONG Zeyuan,LI Jie,LIU Xinjun,et al. Experimental study on the effectiveness of two different geometric error modeling methods for machine tools[J]. Journal of Mechanical Engineering,2019,55(5):137-147. [18] KVRGIC V,RIBIC A,DIMIC Z,ZIVANOVIC. Equivalent geometric errors of rotary axes and novel algorithm for geometric errors compensation in a nonorthogonal five-axis machine tool[J]. CIRP Journal of Manufacturing Science and Technology,2022,37:477-488. [19] BREITZKE A,WOLFGANG H. Workshop-suited geometric errors identification of three-axis machine tools using on-machine measurement for long term precision assurance[J]. Precision Engineering,2022,75:235-247. |
| [1] | 陈行政, 宋幼添, 刘凡一, 谢守勇, 罗佳. 农机装备绿色设计内涵及技术体系[J]. 机械工程学报, 2025, 61(19): 290-298. |
| [2] | 苏永雷, 张志飞. 电控盖板螺栓结合面建模及辐射噪声抑制[J]. 机械工程学报, 2025, 61(17): 161-170. |
| [3] | 陈钱, 董兴建, 陈康康, 刘文博, 袁顺, 吴培桂, 倪洪斌. 基于迭代式局部加权线性回归的汽车座椅滑轨剥离强度预测[J]. 机械工程学报, 2025, 61(17): 193-204. |
| [4] | 卢成宇, 洪兆溪, 张志峰, 顾大强, 聂婕, 冯毅雄, 谭建荣. 价值链协同中的数据机理融合研究综述与展望[J]. 机械工程学报, 2025, 61(13): 1-19. |
| [5] | 洪兆溪, 冯毅雄, 计若松, 宋秀菊, 易树平, 李志武, 谭建荣. 价值链协同的人机联合认知驱动产品设计研究综述[J]. 机械工程学报, 2025, 61(13): 120-141. |
| [6] | 童水光, 江一波, 杨鲜苗, 童哲铭. 齿轮传动系统动力学性能设计研究与应用进展[J]. 机械工程学报, 2025, 61(11): 140-161. |
| [7] | 柯庆镝, 李自生, 王玲, 陈孝旭, 张雷. 设计信息特征驱动下绿色设计知识挖掘方法[J]. 机械工程学报, 2025, 61(9): 424-436. |
| [8] | 杨玉维, 李照童, 陈鹏宇, 龚健超, 王浩宇, 刘祺, 马跃. 计及碰撞瞬态拓扑特征识别的落体系统运动机理完整性分析方法研究[J]. 机械工程学报, 2025, 61(5): 214-227. |
| [9] | 韩博, 杨名, 骆明炎, 李明洋, 姚建涛, 赵永生. 单驱动空间可展开变胞捕获机械手设计与分析[J]. 机械工程学报, 2025, 61(1): 30-43. |
| [10] | 李潇, 史创, 闫凤霄, 郭宏伟, 李冰岩, 王浩威, 刘荣强. 空间轻质高刚度展开臂结构设计及动力学分析[J]. 机械工程学报, 2024, 60(23): 43-52. |
| [11] | 蔡金虎, 黄静, 黄龙, 付志方, 吴宏宇, 尹来容. 动态载荷不确定条件下的周期性结构稳健拓扑优化[J]. 机械工程学报, 2024, 60(23): 304-319. |
| [12] | 白鑫, 张鹏, 张哲峰, 谢里阳. 等效疲劳寿命及其在疲劳可靠性设计中的应用[J]. 机械工程学报, 2024, 60(22): 427-436. |
| [13] | 马拓, 江屏, 李鑫荣, 马守洋, 刘发达. 公理设计与FAST结合的功能求解方法研究[J]. 机械工程学报, 2024, 60(21): 300-311. |
| [14] | 陈洋睿, 刘显贵, 罗熙, 李怡, 游铭娴, 陈立沛. 挂载式悬架结构设计及防侧翻性能验证[J]. 机械工程学报, 2024, 60(19): 187-198. |
| [15] | 刘帅军, 萨日娜, 李文博. 基于结构可拓模型的产品结构方案再设计方法[J]. 机械工程学报, 2024, 60(19): 225-240. |
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