數(shù)控機(jī)床多誤差元素綜合補(bǔ)償及應(yīng)用.pdf

1、本文在國家科技重大專項(xiàng)“高檔數(shù)控機(jī)床與基礎(chǔ)制造裝備”、“國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目”和“全國高等學(xué)校博士學(xué)科點(diǎn)專項(xiàng)科研基金項(xiàng)目”等項(xiàng)目資助和支持下，針對影響數(shù)控機(jī)床加工精度的多誤差元素，進(jìn)行了機(jī)床多誤差元素分析、誤差綜合模型及統(tǒng)一模型建立、誤差分量檢測與建模及多誤差元素綜合補(bǔ)償與應(yīng)用的研究，并在實(shí)際加工中進(jìn)行驗(yàn)證。
　　本文主要內(nèi)容如下：
　?、胚M(jìn)行機(jī)床多誤差元素分析，研究影響數(shù)控機(jī)床加工精度的各項(xiàng)誤差元素（包括熱誤差、切削力引起

2、的誤差、刀具磨損誤差及機(jī)床原始幾何誤差等誤差元素）；并在誤差元素分析的基礎(chǔ)上建立數(shù)控機(jī)床多誤差元素表。多誤差元素表的建立為數(shù)控機(jī)床誤差元素的快速辯識奠定基礎(chǔ)。
　　⑵推導(dǎo)了四種結(jié)構(gòu)加工中心綜合數(shù)學(xué)模型及統(tǒng)一數(shù)學(xué)模型。在數(shù)控機(jī)床多誤差元素分析及誤差元素表的基礎(chǔ)上，應(yīng)用齊次坐標(biāo)變換理論建立四種結(jié)構(gòu)加工中心綜合數(shù)學(xué)模型，在建立綜合模型的過程中，得出四種結(jié)構(gòu)加工中心綜合誤差模型的內(nèi)在規(guī)律，首次提出了基于奇異函數(shù)的四種結(jié)構(gòu)加工中心統(tǒng)一數(shù)學(xué)模

3、型及多誤差元素統(tǒng)一數(shù)學(xué)模型，統(tǒng)一數(shù)學(xué)模型的建立為數(shù)控機(jī)床多誤差元素的檢測與建模提供理論依據(jù)。
　?、翘岢隽嘶谡欢囗?xiàng)式的幾何誤差表格化建模方法。該建模方法的優(yōu)點(diǎn)在于無需預(yù)估數(shù)學(xué)模型的形式，避免了預(yù)估模型形式帶來的誤差，并且所有建模過程都在正交多項(xiàng)式計(jì)算表上進(jìn)行，實(shí)現(xiàn)了誤差建模的表格化。通過對機(jī)床幾何誤差的MATLAB分析，得出數(shù)控機(jī)床的幾何誤差與機(jī)床所在的空間位置有關(guān)，即使只有X坐標(biāo)軸移動，當(dāng)其所處的Y或Z坐標(biāo)位置不同時，其幾何

4、誤差也各不相同，即在進(jìn)行機(jī)床誤差補(bǔ)償時，必須建立機(jī)床空間誤差綜合數(shù)學(xué)模型。
　?、冗M(jìn)行了基于ANSYS的機(jī)床整機(jī)熱模態(tài)及熱變形分析，分析結(jié)果表明，機(jī)床熱變形具有滯后性，其滯后時間與非穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱傅里葉數(shù)有關(guān)，通過計(jì)算機(jī)床熱擾動的擴(kuò)散時間可以定量分析機(jī)床熱變形的滯后時間，這一結(jié)論可有效預(yù)測機(jī)床熱變形在停機(jī)后達(dá)到最大的時間。并在機(jī)床熱模態(tài)及熱變形分析的基礎(chǔ)上，提出基于正交多項(xiàng)式與最小二乘合成的機(jī)床幾何與熱復(fù)合誤差的建模方法。該方法的優(yōu)點(diǎn)在

5、于充分利用幾何誤差的建模結(jié)果，通過模型旋轉(zhuǎn)得到不同溫度下的熱誤差模型，建模效率及精度大大提高。
　　⑸針對切削力引起的誤差進(jìn)行了基于ANSYS的模態(tài)分析和諧響應(yīng)分析，得出高階振型對機(jī)床部件及刀具、工件的動態(tài)特性起決定作用，為此必須使轉(zhuǎn)動部件的頻率遠(yuǎn)離結(jié)構(gòu)的任何一階固有頻率，指出可通過限制主軸某些特定轉(zhuǎn)速的手段避免機(jī)床各階固有頻率；在ANSYS分析的基礎(chǔ)上，提出了基于電機(jī)電流的切削力誤差檢測及建模方法，該方法充分利用了數(shù)控系統(tǒng)實(shí)時電

6、流讀取窗口功能。
　?、试O(shè)計(jì)開發(fā)基于外部坐標(biāo)偏移的誤差實(shí)時補(bǔ)償系統(tǒng)及基于工件坐標(biāo)偏移功能的誤差虛擬補(bǔ)償系統(tǒng)。誤差實(shí)時補(bǔ)償系統(tǒng)以單片機(jī)為開發(fā)平臺，經(jīng)PMC與數(shù)控系統(tǒng)實(shí)時交互，通過機(jī)床外部坐標(biāo)偏移功能實(shí)現(xiàn)機(jī)床誤差實(shí)時補(bǔ)償，并設(shè)計(jì)開發(fā)了以VB為平臺基于正交多項(xiàng)式和最小二乘的誤差建模軟件，該軟件可實(shí)現(xiàn)幾何誤差與熱誤差的綜合建模，建模效率及精度高。誤差虛擬補(bǔ)償系統(tǒng)以VB為開發(fā)平臺，動態(tài)嵌入BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)功能及最小二乘功能，可實(shí)現(xiàn)不同切削條件下

7、工件誤差的動態(tài)建模，及基于時間序列的工件誤差動態(tài)建模，并且可實(shí)現(xiàn)基于工件坐標(biāo)偏移的多誤差綜合補(bǔ)償。針對數(shù)控機(jī)床加工誤差的聚類特性，提出了基于牛頓插值的聚類誤差補(bǔ)償策略，可實(shí)現(xiàn)不同切削條件及工況下的誤差建模與補(bǔ)償。
　?、诉M(jìn)行了多誤差綜合補(bǔ)償驗(yàn)證。針對誤差實(shí)時補(bǔ)償系統(tǒng)，設(shè)計(jì)了三軸加工中心、二軸數(shù)控車床及重型龍門導(dǎo)軌磨床的誤差補(bǔ)償實(shí)驗(yàn)，應(yīng)用與光動公司合作開發(fā)的激光多普勒分步體對角線測量方法，應(yīng)用誤差實(shí)時補(bǔ)償系統(tǒng)通過機(jī)床外部坐標(biāo)偏移功能