光学自由曲面加工机床静态误差辨识与补偿方法研究

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1、硕士学位论文光学自由曲面加工机床静态误差辨识与补偿方法研究ANIDENTIFICATIONANDCOMPENSATIONMETHODFORIDENTIFYINGSTATICGEOMETRICERRORSOFTHEOPTICALFREEFORMSURFACESMACHINETOOL田欣哈尔滨工业大学2018年06月国内图书分类号：TG519.2学校代码：10213国际图书分类号：621密级：公开工学硕士学位论文光学自由曲面加工机床静态误差辨识与补偿方法研究(学术型)硕士研究生：田欣导师：程凯教授申请学位：

2、工学硕士学科：机械制造及其自动化所在单位：机电工程学院答辩日期：2018年6月授予学位单位：哈尔滨工业大学ClassifiedIndex:TG519.2U.D.C:621DissertationfortheMasterDegreeinEngineeringANIDENTIFICATIONANDCOMPENSATIONMETHODFORIDENTIFYINGSTATICGEOMETRICERRORSOFTHEOPTICALFREEFORMSURFACESMACHINETOOL(Academic)Candi

3、date：TIANXinSupervisor：Prof.KaiChengAcademicDegreeAppliedfor：MasterofEngineeringSpeciality：MechanicalManufacturingandAutomationAffiliation：SchoolofMechatronicsEngineeringDateofDefence：June,2018Degree-Conferring-Institution：HarbinInstituteofTechnology哈尔滨工

4、业大学工学硕士学位论文摘要随着科技的发展与市场的需求，光学自由曲面的应用日益广泛。然而，光学自由曲面的加工机床依赖于国外进口，从而导致光学自由曲面产品的生产成本极高。因此，突破光学自由曲面加工机床的关键性技术具有重要的意义。机床作为产品的加工母机，其加工精度直接影响着产品质量。为提高光学自由曲面加工机床的加工精度，本文针对环形多工位光学自由曲面加工机床的测量系统以及快刀系统，设计了一种基于特征样件的静态误差辨识算法，并提出了快刀系统的误差补偿方案。机床误差辨识的首要条件是建立适当的数学模型以描述误差传递

5、关系。基于机床空间结构，通过多序体阵列描述机床测量系统与快刀系统的拓扑关系。为深入地描述静态误差的内在关系，分别建立上述两系统的基准坐标系。进而应用多体系统运动学理论，建立两系统静态误差的数学模型，模型分别包含13项独立静态误差参数。为辨识出系统的静态误差，提出基于特征样件的辨识算法。首先，分别建立测量系统和快刀系统的几何约束关系，进而构建适用于两系统的通用性约束方程。其次，基于约束方程提出静态误差的辨识算法，从而设计出与之相匹配的特征样件。最后，为验证误差辨识算法的可行性和准确性，采用MATLAB模拟

6、系统误差辨识过程。仿真分析表明该算法所辨识出的13项独立静态误差的相对偏差优于15%。以快刀系统静态误差模型为目标函数，利用所辨识出的静态误差参数，获得机床运动轴的最优运动轨迹，从而实现快刀加工系统的补偿。仿真结果显示数值迭代过程收敛。为验证静态误差补偿算法的可行性，通过标准平面的标定和镜片的加工分别对测量系统和快刀系统进行初步实验研究。采用测量系统对标准平面进行检测，进而反推出标准平面的采样点坐标，通过采样点测量位置与实际位置的对比来评估测量系统的测量精度，实验结果表明补偿后测量系统的测量精度优于2μ

7、m。采用未补偿和补偿后的快刀系统分别对镜片进行加工，误差补偿显著地提高了镜片的加工质量。总之，上述初步实验研究表明本文所提出的静态误差辨识算法和补偿算法是可行有效的。关键词：光学自由曲面加工机床；误差辨识；误差模型；特征样件；误差补偿I哈尔滨工业大学工学硕士学位论文ABSTRACTWiththedevelopmentoftechnologyandthedemandofthemarket,theapplicationoftheopticalfreeformsurfacehasbecomeincreasin

8、glywidespread.However,thedomesticopticalfreeformsurfacemachinetoolisdependentonimportscurrently,whichmakesthecostoftheopticalfreeformsurfaceproductsextremelyhigh.Therefore,itisofgreatsignificancetobreakthroughthekeytechnol