數(shù)控機(jī)床熱誤差模態(tài)分析、測點(diǎn)布置及建模研究.pdf

1、本文首先對(duì)國內(nèi)外數(shù)控機(jī)床熱誤差補(bǔ)償技術(shù)的研究現(xiàn)狀作了概述與分析，在此基礎(chǔ)上，對(duì)熱誤差補(bǔ)償研究的主要問題也是難點(diǎn)如機(jī)床模態(tài)理論分析與機(jī)床熱誤差的聯(lián)系、熱關(guān)鍵點(diǎn)的優(yōu)化選擇、熱誤差建模技術(shù)進(jìn)行了深入的分析研究，并通過仿真及實(shí)驗(yàn)應(yīng)用證實(shí)本文研究成果可顯著有效地改善機(jī)床的加工精度，主要研究內(nèi)容簡述如下： 機(jī)床模態(tài)分析對(duì)研究機(jī)床熱誤差形成機(jī)理具有重有指導(dǎo)意義，本文以數(shù)控車削加工中心為研究對(duì)象，通過對(duì)比的方法對(duì)加工中心的兩種模態(tài)(熱模態(tài)和振動(dòng)

2、模態(tài))進(jìn)行了系統(tǒng)的理論分析解釋，闡明了兩種模態(tài)的實(shí)際物理意義，分析了它們的相似性及區(qū)別，分析振動(dòng)模態(tài)的目的一是通過其與熱模態(tài)的比較分析使熱模態(tài)機(jī)理更清晰；二是將振動(dòng)模態(tài)的疊加理論用來求解機(jī)床瞬態(tài)熱變形。模態(tài)分析結(jié)果表明，振動(dòng)模態(tài)特征頻率及模態(tài)形狀受外加位移約束影響，而熱特征值及熱模態(tài)分布則不受外加位移約束影響；振動(dòng)特征頻率遠(yuǎn)大于熱特征值，即熱模態(tài)的時(shí)間常數(shù)通常很大；振動(dòng)模態(tài)求解時(shí)，通常不考慮外加載荷的影響，而熱模態(tài)求解時(shí)必須引入對(duì)流換熱

3、項(xiàng)；振動(dòng)模態(tài)形狀為矢量形式模態(tài)，而熱模態(tài)則屬標(biāo)量形式模態(tài)。 從模態(tài)求解方程的分析可看到，模態(tài)只是系統(tǒng)在某一特征頻率下求得的特征向量，表征了系統(tǒng)各部位相對(duì)運(yùn)動(dòng)幅值的大小，而且這個(gè)向量的負(fù)向量依然是該頻率下的模態(tài)。因此模態(tài)反映的只是系統(tǒng)的固有屬性，而不是從表面看到的系統(tǒng)的瞬態(tài)真實(shí)響應(yīng)，瞬態(tài)響應(yīng)還受外部條件的很多制約，但瞬態(tài)響應(yīng)可由模態(tài)疊加的方式求得。 根據(jù)模態(tài)疊加理論，給出了熱源功率及主軸旋轉(zhuǎn)時(shí)表面對(duì)流換熱系數(shù)的計(jì)算方法，并

4、以數(shù)控車削加工中心為例，計(jì)算了主軸及主軸箱瞬態(tài)熱響應(yīng)和熱變形。分析了機(jī)床熱誤差與刀具位置的關(guān)系，給出了相應(yīng)極限誤差的求法。分析了主軸頭部在開始的一小段時(shí)間內(nèi)徑向熱變形為負(fù)值的原因。 利用定義的熱誤差敏感度，根據(jù)熱關(guān)鍵點(diǎn)問熱誤差敏感度差的絕對(duì)值和最大的原則，在侯選點(diǎn)較少的情況下，提出了一個(gè)簡潔的算法來選擇機(jī)床的熱關(guān)鍵點(diǎn)(溫度測點(diǎn))，并在主軸上進(jìn)行了驗(yàn)證。 對(duì)于侯選點(diǎn)和關(guān)鍵點(diǎn)較多時(shí)的大規(guī)模優(yōu)化問題，提出了小波壓縮與遺傳算法混

5、合優(yōu)化方法。分別對(duì)熱關(guān)鍵點(diǎn)數(shù)量為10個(gè)、6個(gè)和2個(gè)的情況進(jìn)行了試驗(yàn)，結(jié)果表明，當(dāng)關(guān)鍵點(diǎn)數(shù)量較多時(shí)，優(yōu)化效果不十分明顯，因?yàn)檫@時(shí)的熱誤差模型都是很精確的；當(dāng)關(guān)鍵點(diǎn)較少時(shí)，優(yōu)化效果很明顯。分析也表明徑向熱誤差與軸向熱誤差的熱關(guān)鍵點(diǎn)通常是不一樣的，有時(shí)需要分別進(jìn)行布置各自的溫度傳感器。 研究比較了幾種常用熱誤差建模方法的性能特點(diǎn)。通過對(duì)比可看出：遺傳算法建立的熱誤差模型也是與傳感器的數(shù)量密切相關(guān)的，數(shù)量越多，精度越高，但對(duì)于同樣數(shù)量的

6、溫度傳感器，所建立的熱誤差模型不如多變量回歸分析所建立的模型的精度高；而且遺傳算法所建立的模型的精度具有一定的隨機(jī)性。 建模實(shí)例也表明，熱關(guān)鍵點(diǎn)數(shù)量的多少對(duì)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型的精度影響較小，這是由于隱層神經(jīng)元較多，因而網(wǎng)絡(luò)權(quán)系數(shù)規(guī)模較大而增強(qiáng)了熱誤差模型的精度。當(dāng)熱關(guān)鍵點(diǎn)數(shù)量很多時(shí)，多變量回歸建模的精度要好于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型，而當(dāng)熱關(guān)鍵點(diǎn)數(shù)量較少時(shí)，多變量回歸建模的精度則差于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型。 在綜合比較幾種常用建模方法的性能基礎(chǔ)上，

7、提出了分段修正系數(shù)建模法，通過建模實(shí)例可看到，分段修正系數(shù)法所建模型具有如下優(yōu)點(diǎn)： a)在樣本數(shù)據(jù)點(diǎn)處模型計(jì)算熱誤差能夠精確匹配實(shí)際熱誤差； b)在非樣本數(shù)據(jù)點(diǎn)處,模型插值能力很強(qiáng)，計(jì)算熱誤差與實(shí)際熱誤差曲線擬合的很好； c)使用的傳感器數(shù)量少，分段建模相當(dāng)于用軟件技術(shù)彌補(bǔ)了傳感器數(shù)量的不足。 最后，用我們自己研制的熱誤差實(shí)時(shí)補(bǔ)償器，在數(shù)控車床上實(shí)施了實(shí)時(shí)補(bǔ)償，以論證本文研究方法及其結(jié)論，實(shí)驗(yàn)與應(yīng)用結(jié)果表