摘要
五轴数控机床相比较于三轴数控机床添加了两个旋转轴，使其更适用于航空航天、运输船舶以及汽车行业中复杂曲面的加工，并且有着更高的精度要求。五轴数控机床由于结构的复杂性使得影响加工精度的误差源明显增多，其中旋转轴为主要的误差贡献轴。为了识别机床旋转轴的几何误差，本文分别从误差建模、误差检测实验以及误差补偿三个方面对双回转工作台式AC五轴数控机床（DMU85）以及摆头回转工作台式BC五轴数控机床（DMU80T）进行研究，完成对旋转轴几何误差的辨识到补偿的一系列工作。主要研究的内容如下： （1）研究了五轴数控机床的误差建模，不同于现有的几何误差建模方法，本文基于对偶四元数分别建立了AC和BC五轴数控机床的理想运动学模型和实际的误差模型。机床模型的建立采用全局坐标系，只需要机床参考坐标系、工件坐标系、刀具坐标系以及其他轴系在参考坐标系中的Plücker参数。基于对偶四元数原理和运算法则重新定义了五轴机床3个线性轴和3个旋转轴的与位置无关几何误差，每个旋转轴被定义为两项位移误差、一项旋转角度误差和一项轴比误差，每个线性轴被定义为一项旋转角度误差和一项轴比误差。整个机床运动模型的建立中并不涉及齐次矩阵的运算，简化了运算的参数量并提高了运算效率。 （2）研究了五轴数控机床旋转轴几何误差的检测方法，基于球杆仪检测装置提出了仅涉及两个旋转轴同步运动的联动测量轨迹，用于检测五轴数控机床两个旋转轴的与位置无关几何误差。所提出的误差检测方法仅需要一次安装，避免了多次安装测量中安装误差和重复度的影响。通过单条双旋转轴同步运动的轨迹对五轴数控机床两个旋转轴的几何误差进行测量，线性轴始终保持静止，排除了线性轴几何误差的影响。针对球杆仪使用过程中运行的不规则球面轨迹，提出了球杆仪采样与机床运动的同步匹配算法，解决了球杆仪运行轨迹过程中两基座间距离不恒定、相对运动速度不同步的问题，并有效的提高误差检测实验的精度。通过伪逆矩阵法对旋转轴的与位置无关几何误差进行解耦。 （3）研究了五轴数控机床旋转轴几何误差的补偿，基于所建立的对偶四元数空间变换模型分别对五轴数控机床的旋转轴的方向误差和位置误差进行补偿。两个旋转轴的方向误差是通过绕实际的旋转轴轴线进行补偿，旋转轴的位移误差则通过机床自身的线性轴的移动进行补偿。针对方向误差补偿提出了分别补偿和同时补偿两种补偿策略，并基于MATLAB软件对两种补偿策略进行模拟仿真。将得到的误差补偿量通过NC代码修正补偿，提出圆弧面加工深孔以及球杆仪实验的形式进行误差补偿效果的验证，结果表明所提出的补偿策略的有效性。
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