五軸數(shù)控機(jī)床幾何與熱誤差實(shí)時補(bǔ)償關(guān)鍵技術(shù)及其試驗(yàn)研究.pdf

1、近年來，隨著全球制造業(yè)水平的不斷提高，五軸數(shù)控機(jī)床作為能夠加工復(fù)雜型面的高端制造裝備正不斷拓展其應(yīng)用領(lǐng)域，在此過程中，人們對于五軸數(shù)控機(jī)床在實(shí)際生產(chǎn)中的加工精度的要求也不斷提升。在“國家科技重大專項(xiàng)”(2009ZX04014-22、2011ZX04015-31）、“國家自然科學(xué)基金”和“高等學(xué)校博士學(xué)科點(diǎn)基金”等項(xiàng)目資助和支持下，本文以沈陽機(jī)床生產(chǎn)的一臺雙轉(zhuǎn)臺高速五軸加工中心為主要研究對象，進(jìn)行了五軸數(shù)控機(jī)床幾何與熱誤差（包括平動軸空間

2、體積誤差、旋轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)角誤差以及各類熱誤差）高精度檢測、魯棒建模和實(shí)時補(bǔ)償研究，并針對機(jī)床搭載的海德漢iTNC530五軸數(shù)控系統(tǒng)開發(fā)了基于多線程并行單片機(jī)構(gòu)架的外置誤差實(shí)時補(bǔ)償系統(tǒng)，進(jìn)而分別對機(jī)床空切削過程以及典型五軸零件加工過程實(shí)施了一系列誤差在線預(yù)測與實(shí)時補(bǔ)償試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了本文所闡述的誤差建模與補(bǔ)償關(guān)鍵技術(shù)可切實(shí)降低五軸數(shù)控機(jī)床的運(yùn)動誤差、提高零件的加工精度。
　　本文的主要研究內(nèi)容涵蓋了五軸數(shù)控機(jī)床幾何與熱誤差綜合實(shí)時補(bǔ)償

3、過程中涉及的關(guān)鍵技術(shù)與試驗(yàn)驗(yàn)證過程，可分為四大部分。
　　第一部分：雙轉(zhuǎn)臺五軸數(shù)控機(jī)床誤差元素分析與誤差綜合數(shù)學(xué)模型。
　　基于機(jī)床的特定結(jié)構(gòu)，針對其在加工過程中可能產(chǎn)生的各項(xiàng)誤差元素進(jìn)行了分析與分類，按照誤差元素的決定因素歸納了機(jī)床所有幾何及熱誤差元素。應(yīng)用齊次坐標(biāo)變換方法，在機(jī)床各部件上建立局部坐標(biāo)系的基礎(chǔ)上，通過對比理想狀態(tài)與實(shí)際狀態(tài)下機(jī)床運(yùn)動鏈坐標(biāo)系的變換矩陣，建立了機(jī)床誤差綜合數(shù)學(xué)模型，將機(jī)床刀具與工件間的運(yùn)動誤差

4、表示為各誤差元素的函數(shù)。通過針對綜合誤差模型中所涉及誤差元素進(jìn)行二次分析，對所建綜合誤差模型進(jìn)行了簡化，得到的簡化模型可更方便地運(yùn)用于后續(xù)誤差建模及補(bǔ)償步驟中，為后續(xù)的誤差建模和補(bǔ)償工作提供了理論前提。
　　第二部分：五軸數(shù)控機(jī)床全溫度范圍（冷態(tài)至熱平衡狀態(tài)）多誤差精確檢測方法。
　?。?）針對五軸數(shù)控機(jī)床全溫度范圍內(nèi)平動軸運(yùn)動誤差（也稱空間體積誤差），提出一種基于改進(jìn)分步體對角線測量的誤差檢測方法。通過分析傳統(tǒng)分步體對角線

5、測量方法的測量原理及測量精度，針對測量過程中對測量精度影響最大的兩大因素——安裝誤差（Setup Errors）因素以及溫度狀態(tài)不匹配（Thermal Conditions Mismatch）因素分別闡述了改進(jìn)方法：提出基于工作空間面對角線測量（ Face-diagonal Measurement）的安裝誤差辨識新技術(shù)，從而去除安裝誤差的影響；提出基于機(jī)床重復(fù)溫升過程概念的全溫度范圍優(yōu)化測量步驟，在減少激光干涉儀安裝次數(shù)的前提下去除溫度

6、狀態(tài)不匹配因素對測量結(jié)果的影響。通過與常規(guī)的誤差逐項(xiàng)測量方法進(jìn)行對比，驗(yàn)證了改進(jìn)分步體對角線測量方法可大幅提高體積誤差的檢測精度，所測得的誤差數(shù)據(jù)為后續(xù)建模過程提供可靠的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。
　?。?）利用激光與精密多面鏡套件、高精度正弦波旋轉(zhuǎn)編碼器對五軸機(jī)床兩個旋轉(zhuǎn)軸的最主要誤差元素——轉(zhuǎn)角定位誤差進(jìn)行了檢測。針對機(jī)床旋轉(zhuǎn)運(yùn)動范圍及轉(zhuǎn)角誤差數(shù)值范圍較大的機(jī)床 C軸，采用激光與精密多面鏡套件對其轉(zhuǎn)角定位誤差進(jìn)行檢測；針對旋轉(zhuǎn)運(yùn)動范圍較小，轉(zhuǎn)

7、角誤差數(shù)值變化不明顯的機(jī)床 A軸，采用旋轉(zhuǎn)編碼器進(jìn)行轉(zhuǎn)角誤差檢測。所測得的旋轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)角定位誤差數(shù)據(jù)為旋轉(zhuǎn)軸誤差元素建模提供了數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。
　?。?）針對機(jī)床主軸熱漂移誤差，應(yīng)用制造精度很高的標(biāo)準(zhǔn)芯棒代替機(jī)床刀具，利用專用夾具多工位同時裝夾非接觸激光位移傳感器，結(jié)合多通道信號采集系統(tǒng)，同步高效采集主軸不同運(yùn)動方向的熱漂移誤差數(shù)據(jù)及對應(yīng)溫度數(shù)據(jù)，為主軸熱漂移誤差建模提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。
　　第三部分：五軸數(shù)控機(jī)床全溫度范圍多誤差優(yōu)化建模。

8、
　　通過分析各誤差元素的產(chǎn)生原因與變化機(jī)理，將誤差元素分為不同的類型，針對不同類型的誤差元素應(yīng)用不同的建模方法。
　?。?）針對既與機(jī)床運(yùn)動軸實(shí)際坐標(biāo)位置有關(guān)也與機(jī)床溫度狀態(tài)有關(guān)的動態(tài)幾何與熱復(fù)合誤差，應(yīng)用基于誤差分離技術(shù)的建模思想，將復(fù)合誤差按影響因素分解成不同的誤差組成部分，而后分別對各誤差組成部分進(jìn)行建模，最后疊加生成可在任意坐標(biāo)位置、任意溫度狀態(tài)下準(zhǔn)確預(yù)測誤差值的整體誤差預(yù)測模型，通過將誤差預(yù)測值與誤差實(shí)際測量值進(jìn)

9、行對比，驗(yàn)證了所建模型的預(yù)測精度。
　?。?）針對只與機(jī)床部件溫度狀態(tài)相關(guān)的單因素?zé)嵴`差元素，提出一種基于貝葉斯推斷（Bayesian Inference, BI）的最小二乘支持向量機(jī)（Least Square Support Vector Machine, LS-SVM）算法的建模方法，在對所建模型進(jìn)行訓(xùn)練時，正規(guī)化參數(shù)、核函數(shù)參數(shù)的選擇過程運(yùn)用貝葉斯推斷方法，使所選參數(shù)滿足最大后驗(yàn)概率分布。與其它熱誤差模型的預(yù)測效果進(jìn)行比較后

10、，驗(yàn)證了基于貝葉斯推斷的 LS-SVM模型預(yù)測精度完全滿足預(yù)測需求，尤其是主軸加工狀態(tài)變化時仍具有較高魯棒性。
　?。?）針對只與機(jī)床坐標(biāo)位置有關(guān)的靜態(tài)誤差，采用簡單的多項(xiàng)式擬合方法進(jìn)行建模。
　　第四部分：五軸數(shù)控機(jī)床全溫度范圍多誤差實(shí)時補(bǔ)償方法及實(shí)時補(bǔ)償試驗(yàn)。
　　（1）基于自主研發(fā)外置誤差實(shí)時補(bǔ)償系統(tǒng)的補(bǔ)償實(shí)現(xiàn)方法。針對機(jī)床搭載的海德漢 iTNC530五軸數(shù)控系統(tǒng)，充分挖掘系統(tǒng)內(nèi)部集成的軸偏置誤差補(bǔ)償功能，自主開

11、發(fā)了一套基于多線程并行單片機(jī)構(gòu)架的外置誤差實(shí)時補(bǔ)償系統(tǒng)。該系統(tǒng)獨(dú)立于機(jī)床數(shù)控系統(tǒng)之外，結(jié)合建立的誤差元素綜合模型，可實(shí)現(xiàn)機(jī)床多誤差在線預(yù)測與實(shí)時補(bǔ)償功能。而且所實(shí)施的補(bǔ)償過程不會對CNC中的加工坐標(biāo)造成影響，同時也不會使CNC執(zhí)行的工件加工程序發(fā)生改變。
　?。?）五軸數(shù)控機(jī)床空切削狀態(tài)下多誤差實(shí)時補(bǔ)償試驗(yàn)?；谕庵谜`差實(shí)時補(bǔ)償系統(tǒng)以及所建立的各誤差元素預(yù)測模型，在機(jī)床空切削狀態(tài)下進(jìn)行了多誤差實(shí)時補(bǔ)償試驗(yàn)，通過分析補(bǔ)償前后誤差元素

12、的變化驗(yàn)證其補(bǔ)償效果。
　?。?）五軸數(shù)控機(jī)床誤差綜合補(bǔ)償切削試驗(yàn)?；诮⒌恼`差綜合數(shù)學(xué)模型，并結(jié)合各誤差測量值及所建誤差元素模型對誤差綜合數(shù)學(xué)模型進(jìn)行迭代與簡化。運(yùn)用簡化后的誤差綜合模型在機(jī)床切削典型五軸零件（標(biāo)準(zhǔn)球、葉輪）的加工過程中，對機(jī)床刀具與工件之間的位置、姿態(tài)誤差進(jìn)行了綜合補(bǔ)償試驗(yàn)，通過分析對比補(bǔ)償前后零件的敏感尺寸，驗(yàn)證本課題所提誤差建模與綜合補(bǔ)償方法對五軸數(shù)控機(jī)床加工精度的改善效果。所有實(shí)驗(yàn)結(jié)果由上海市計(jì)量測試技