數(shù)控機(jī)床熱誤差建模新方法及補(bǔ)償研究.pdf

1、隨著現(xiàn)代機(jī)床制造技術(shù)的提高，零件加工誤差中由機(jī)床幾何誤差和運(yùn)動(dòng)誤差所引入的比重越來(lái)越低，而由機(jī)床內(nèi)外溫度變化造成的熱誤差成為影響加工精度的主要因素，通過(guò)熱誤差補(bǔ)償來(lái)提高機(jī)床的加工精度是目前一項(xiàng)重要的技術(shù)手段。本研究結(jié)合國(guó)家科技重大專項(xiàng)“高檔數(shù)控機(jī)床與基礎(chǔ)制造裝備”和國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目，針對(duì)機(jī)床熱誤差建模補(bǔ)償中的幾個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題：機(jī)床熱誤差建模補(bǔ)償中的測(cè)溫點(diǎn)的選取、多模型融合的熱誤差建模、機(jī)床部件及整機(jī)的熱變形特性和熱誤差補(bǔ)償?shù)膶?shí)現(xiàn)等幾個(gè)關(guān)

2、鍵問(wèn)題進(jìn)行了研究。
　　本文的主要研究?jī)?nèi)容如下：
　?。?）測(cè)溫點(diǎn)選取問(wèn)題的研究。在機(jī)床熱誤差建模中，首先需要解決的問(wèn)題是確定熱誤差模型的輸入變量，也即如何確定和所建模型相適應(yīng)的最優(yōu)輸入溫度點(diǎn)。本文提出了基于溫度-熱誤差滯回特性曲線將測(cè)溫點(diǎn)分為兩類，通過(guò)主成分分析（PCA）從分類中提取最優(yōu)溫度測(cè)點(diǎn)的方法。選取最優(yōu)測(cè)溫點(diǎn)為建立魯棒性強(qiáng)的熱誤差模型奠定了基礎(chǔ)。
　　（2）多模型融合的熱誤差建模方法研究。由于熱變形是一具有非

3、線性時(shí)變的過(guò)程，一般模型很難準(zhǔn)確跟蹤實(shí)時(shí)熱變形，這導(dǎo)致熱誤差模型預(yù)測(cè)精度不高。為了改善熱誤差模型的魯棒性和預(yù)測(cè)精度，提出了多模型融合的建模方法。該方法把多個(gè)單一模型按照一定的規(guī)則融合，得到一個(gè)性能更優(yōu)的綜合模型并給出了多模型融合算法。在研究中通過(guò)動(dòng)態(tài)熱誤差模型和有限元熱誤差模型的融合，提高了模型的預(yù)測(cè)精度，特別是有限元模型的溫度輸入來(lái)自于紅外成像儀的測(cè)量結(jié)果，克服了傳統(tǒng)有限元方法計(jì)算溫度場(chǎng)時(shí)邊界條件不易確定的難題。
　?。?）機(jī)床

4、熱變形特性問(wèn)題研究。為了深入理解機(jī)床熱變形的過(guò)程，對(duì)銑床工作臺(tái)在絲杠螺母摩擦熱源作用下的熱變形過(guò)程進(jìn)行了分析，并針對(duì)這種變形提出了相應(yīng)的熱誤差建模方法。此外，外部環(huán)境溫度也會(huì)使機(jī)床結(jié)構(gòu)發(fā)生變形，因此在熱誤差建模時(shí)很多模型都把環(huán)境溫度作為模型的輸入變量，但是對(duì)環(huán)境溫度變化對(duì)機(jī)床熱誤差產(chǎn)生怎樣的影響并沒(méi)有深入分析研究。在本研究中針對(duì)機(jī)床在環(huán)境溫度下的熱變化過(guò)程，提出了建立熱誤差傳遞函數(shù)的分析方法，根據(jù)此方法可以方便地對(duì)機(jī)床在時(shí)變溫度環(huán)境下熱

5、誤差時(shí)域特性和頻域特性進(jìn)行分析，為了解機(jī)床在時(shí)變溫度環(huán)境的熱誤差特性提供了一種有力的分析工具。
　?。?）機(jī)床熱誤差補(bǔ)償實(shí)現(xiàn)的問(wèn)題。雖然有些高檔系統(tǒng)具有熱誤差補(bǔ)償功能，但是由于補(bǔ)償方法固定，無(wú)法滿足用戶不同使用要求。由于常見數(shù)控系統(tǒng)的封閉特性，用戶自己開發(fā)的特定熱誤差模型無(wú)法嵌入到數(shù)控系統(tǒng)內(nèi)部實(shí)現(xiàn)機(jī)床熱誤差補(bǔ)償。在研究中通過(guò)分析西門子840D熱誤差補(bǔ)償模塊的特點(diǎn)，通過(guò)對(duì)用戶補(bǔ)償模型的分段直線逼近，并充分利用數(shù)控系統(tǒng)熱誤差補(bǔ)償模塊的