數(shù)控機(jī)床關(guān)鍵誤差識別、建模及實時補(bǔ)償應(yīng)用研究.pdf

1、數(shù)控機(jī)床的幾何與熱復(fù)合位置誤差對其加工精度影響十分突出，如何對這些誤差因素進(jìn)行有效辨識與補(bǔ)償受到了國內(nèi)學(xué)者與機(jī)床生產(chǎn)廠家的廣泛關(guān)注。本課題在“國家科技重大專項”、“國家自然科學(xué)基金”和“國家重大科研儀器研制項目”等項目的資助下，以沈陽機(jī)床集團(tuán)生產(chǎn)的一臺立式加工中心和浙江日發(fā)精機(jī)生產(chǎn)的一臺大型龍門機(jī)床為研究對象，對數(shù)控機(jī)床關(guān)鍵誤差的識別、建模與補(bǔ)償實施方法展開了深入研究。通過對不同結(jié)構(gòu)類型數(shù)控機(jī)床關(guān)鍵誤差的辨識與分析，建立了數(shù)控機(jī)床幾何與

2、熱復(fù)合位置誤差的精確預(yù)測模型。然后在此基礎(chǔ)上，基于NI虛擬儀器與嵌入式PC機(jī)開發(fā)了一套實時智能誤差補(bǔ)償系統(tǒng)，對機(jī)床的幾何與熱復(fù)合位置誤差進(jìn)行實時補(bǔ)償，有效提高了數(shù)控機(jī)床的實際加工精度。本文的主要研究內(nèi)容如下所示：
　　(1)建立了適用于不同結(jié)構(gòu)類型數(shù)控機(jī)床的通用空間誤差模型。通過對數(shù)控機(jī)床的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)與誤差表現(xiàn)形式的研究分析，基于多體運(yùn)動學(xué)理論建立了適用于立式加工中心、臥式加工中心、大型龍門機(jī)床、臥式鏜床等不同結(jié)構(gòu)類型數(shù)控機(jī)床的通用

3、空間誤差模型。通過考慮平動軸角偏誤差對機(jī)床空間定位精度的影響，使得所建綜合誤差模型通用性更強(qiáng)，同時適用于不同行程大小與結(jié)構(gòu)類型的數(shù)控機(jī)床。
　　(2)提出了不同結(jié)構(gòu)類型數(shù)控機(jī)床關(guān)鍵誤差的辨識方法。首先定性分析了定位誤差、直線度誤差、垂直度誤差、角偏誤差等各類誤差元素對數(shù)控機(jī)床直線位置精度與平面圓軌跡精度的影響機(jī)理。并分析了其在不同行程大小、結(jié)構(gòu)類型機(jī)床上的表現(xiàn)形式。然后在此基礎(chǔ)上，基于敏感性分析判定法提取出了影響各類機(jī)床加工精度的

4、關(guān)鍵誤差元素，有效提高了誤差檢測與補(bǔ)償?shù)男省?br>　　(3)對立式加工中心的關(guān)鍵誤差進(jìn)行了有效檢測與建模。首先對立式加工中心處于不同溫度狀態(tài)下的定位誤差進(jìn)行了測量。然后，對于其幾何位置誤差，提出了基于Chebyshev正交多項式的誤差擬合建模方法，通過基函數(shù)的正交化設(shè)計，克服了高階多項式的局部過擬合現(xiàn)象，有效提高了幾何位置誤差的建模精度。此外，Chebyshev正交多項式可以自適應(yīng)地判定最佳擬合階次，實現(xiàn)自動建模。針對機(jī)床絲桿的熱誤

5、差，提出了基于自然指數(shù)熱機(jī)理分析法的機(jī)床熱誤差建模方法，并確定了機(jī)床絲桿熱誤差的產(chǎn)生機(jī)理，以及其隨溫度場的變化規(guī)律。此外，其還可以克服在機(jī)床降溫階段由于溫度測量滯后而導(dǎo)致的預(yù)測精度下降的問題，有效保持了熱誤差模型在升溫、降溫、環(huán)境溫度變化等不同工況下的預(yù)測精度，提高了補(bǔ)償模型的魯棒性。
　　(4)對大型龍門機(jī)床的關(guān)鍵誤差進(jìn)行了有效檢測與建模。首先介紹了基于工件加工表面檢測的龍門機(jī)床導(dǎo)軌直線度誤差測量方法。然后針對龍門機(jī)床運(yùn)動行程大

6、、幾何位置誤差曲線復(fù)雜的特點(diǎn)，提出了基于移動最小二乘法的幾何誤差擬合建模方法。此建模方法結(jié)合了自適應(yīng)分段擬合與加權(quán)最小二乘法的建模優(yōu)點(diǎn)，通過引入緊支域的概念，有效提高了復(fù)雜誤差曲線的建模精度，并降低了區(qū)間擬合函數(shù)的階次。此外，通過對龍門機(jī)床平動軸角偏誤差引起的Abbe誤差進(jìn)行分析與建模，有效地提高了龍門機(jī)床的三維空間定位精度。
　　(5)開發(fā)了虛擬儀器實時誤差補(bǔ)償系統(tǒng)?；贜I虛擬儀器與嵌入式PC機(jī)開發(fā)了一套綜合誤差實時補(bǔ)償系統(tǒng)，

7、結(jié)合數(shù)控系統(tǒng)的外部機(jī)械原點(diǎn)偏移功能，其可以對機(jī)床的幾何與熱復(fù)合位置誤差進(jìn)行實時補(bǔ)償。補(bǔ)償軟件平臺嵌入了MATLAB功能模塊，其能自動識別與提取激光干涉儀測量文件的誤差數(shù)據(jù)、溫度記錄文件的溫度數(shù)據(jù)，并完成幾何與熱復(fù)合位置誤差的在線自動建模。此外，為了適應(yīng)各類數(shù)控系統(tǒng)不同的補(bǔ)償需求，本文分別基于快速以太網(wǎng)與機(jī)床外部I/O模塊開發(fā)了兩種補(bǔ)償方案，其分別通過內(nèi)部嵌入式以太網(wǎng)或機(jī)床外部I/O模塊與數(shù)控系統(tǒng)的PMC窗口功能模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，有效提高

8、了補(bǔ)償器的適應(yīng)性。
　　(6)進(jìn)行了數(shù)控機(jī)床多誤差的動態(tài)實時補(bǔ)償試驗，以及工件的實際切削補(bǔ)償驗證。針對誤差實時補(bǔ)償系統(tǒng)，在立式加工中心與大型龍門機(jī)床上設(shè)計了一系列的多誤差綜合補(bǔ)償試驗，并使用激光干涉儀與球桿儀對機(jī)床在補(bǔ)償前后的直線位置精度與圓軌跡精度進(jìn)行檢測。試驗結(jié)果表明，經(jīng)補(bǔ)償后機(jī)床的精度得到了大幅度提升。此外，為了驗證補(bǔ)償技術(shù)的實際應(yīng)用價值，也在立式加工中心與大型龍門機(jī)床上設(shè)計了一系列的標(biāo)準(zhǔn)件實際切削加工補(bǔ)償試驗。通過對補(bǔ)償前