大型數(shù)控機(jī)床多誤差元素建模及綜合補(bǔ)償.pdf

1、本文在多個(gè)國家重大專項(xiàng)、國家自然科學(xué)基金及全國高等學(xué)校博士學(xué)科點(diǎn)專項(xiàng)科研基金項(xiàng)目的支持下，以14m大型龍門數(shù)控機(jī)床為研究對(duì)象，首先對(duì)影響其加工精度的多誤差元素進(jìn)行分析和測(cè)量，其次，建立多誤差元素模型，并依據(jù)齊次坐標(biāo)變換理論，建立包含各項(xiàng)誤差元素的綜合誤差模型，最后研發(fā)誤差實(shí)時(shí)補(bǔ)償系統(tǒng)，并對(duì)各誤差元素模型及綜合誤差模型進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。
　　本文的主要研究內(nèi)容如下：
　　(1)對(duì)大型數(shù)控機(jī)床的幾何誤差及熱誤差進(jìn)行分析，對(duì)其具體含義

2、、產(chǎn)生原因、主要影響及應(yīng)對(duì)策略作具體說明，并擬確定直線度誤差、幾何與熱復(fù)合的定位誤差為大型數(shù)控機(jī)床的敏感和主要誤差源。對(duì)數(shù)控機(jī)床各項(xiàng)誤差進(jìn)行激光干涉儀測(cè)量，并對(duì)其測(cè)量原理、測(cè)量規(guī)范及已有測(cè)量方法之間的區(qū)別作了詳細(xì)闡述。通過理論分析及誤差實(shí)測(cè)的方法，確定大型數(shù)控機(jī)床的敏感和主要誤差為直線度誤差、幾何與熱復(fù)合的定位誤差，并把其作為本文主要的誤差補(bǔ)償內(nèi)容。
　　(2)針對(duì)旋轉(zhuǎn)編碼器定位的絲杠螺母?jìng)鲃?dòng)系統(tǒng)，在溫升和冷卻階段，分別對(duì)絲杠軸進(jìn)

3、行熱特性分析，建立絲杠軸瞬態(tài)溫度和時(shí)間的指數(shù)關(guān)系表達(dá)式，根據(jù)溫升或者冷卻時(shí)間，可應(yīng)用該表達(dá)式對(duì)絲杠實(shí)時(shí)瞬態(tài)溫度進(jìn)行計(jì)算。依據(jù)熱膨脹理論，根據(jù)絲杠軸溫度，建立熱均勻絲杠的幾何與熱復(fù)合的定位誤差數(shù)學(xué)模型。考慮到復(fù)雜的加工狀況，絲杠并非處于熱均勻狀態(tài)，把絲桿軸細(xì)分成多個(gè)細(xì)小熱均勻單元，對(duì)每個(gè)細(xì)小熱均勻單元應(yīng)用熱均勻絲杠定位誤差數(shù)學(xué)模型，可計(jì)算得到任意時(shí)刻每個(gè)細(xì)小單元的幾何與熱復(fù)合定位誤差量，繼而把這些細(xì)小單元的定位誤差模型進(jìn)行疊加，建立整個(gè)絲

4、杠軸的幾何與熱復(fù)合的定位誤差數(shù)學(xué)模型。
　　(3)針對(duì)光柵尺定位的長距離運(yùn)動(dòng)軸，通過在光柵定尺上布置多個(gè)溫度傳感器，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)其溫度數(shù)據(jù)，并通過插值方法，計(jì)算光柵定尺上每個(gè)位置點(diǎn)的溫度值，依據(jù)熱膨脹理論，根據(jù)光柵定尺上每個(gè)位置點(diǎn)的溫升量，對(duì)位置信息進(jìn)行積分，從而計(jì)算得到光柵定尺上每個(gè)位置點(diǎn)的熱伸長量，結(jié)合光柵尺幾何定位誤差，建立光柵尺的幾何與熱復(fù)合的定位誤差數(shù)學(xué)模型。
　　(4)針對(duì)數(shù)據(jù)不規(guī)則變化的直線度誤差，提出了應(yīng)用B樣條

5、曲線對(duì)其擬合建模的方法。借助B樣條曲線優(yōu)越的數(shù)據(jù)擬合和局部可調(diào)整能力，對(duì)數(shù)控機(jī)床三個(gè)移動(dòng)軸的六項(xiàng)直線度誤差進(jìn)行擬合，并對(duì)模型的擬合精度進(jìn)行評(píng)估，通過增加控制節(jié)點(diǎn)的個(gè)數(shù)，可進(jìn)一步提升B樣條模型擬合精度。對(duì)六項(xiàng)直線度誤差模型進(jìn)行空間矢量疊加，建立空間直線度誤差數(shù)學(xué)模型，并推導(dǎo)出空間誤差數(shù)學(xué)模型在各移動(dòng)軸方向上的分量。
　　(5)針對(duì)有網(wǎng)絡(luò)接口的機(jī)床數(shù)控系統(tǒng)，基于工業(yè)計(jì)算機(jī)，開發(fā)設(shè)計(jì)了基于網(wǎng)絡(luò)接口的誤差實(shí)時(shí)補(bǔ)償系統(tǒng)，其包括數(shù)據(jù)通訊模塊、

6、誤差數(shù)據(jù)讀取模塊、溫度采集模塊、誤差建模模塊及人機(jī)界面模塊等；針對(duì)無網(wǎng)絡(luò)接口的機(jī)床數(shù)控系統(tǒng)，基于臺(tái)達(dá)PLC，設(shè)計(jì)開發(fā)了基于I/O模塊的誤差實(shí)時(shí)補(bǔ)償系統(tǒng)，其通過數(shù)字量輸入輸出口，實(shí)現(xiàn)補(bǔ)償數(shù)據(jù)和位置數(shù)據(jù)在補(bǔ)償系統(tǒng)和數(shù)控系統(tǒng)之間的交互。
　　(6)對(duì)誤差測(cè)量的準(zhǔn)確性、誤差建模的精確性及誤差實(shí)時(shí)補(bǔ)償系統(tǒng)的有效性進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。首先，對(duì)空間直線度誤差數(shù)學(xué)模型和幾何與熱復(fù)合的定位誤差數(shù)學(xué)模型進(jìn)行誤差元素驗(yàn)證，應(yīng)用誤差實(shí)時(shí)補(bǔ)償系統(tǒng)，對(duì)各誤差元素進(jìn)