碩士論文——基于虛擬儀器的數(shù)控機(jī)床誤差監(jiān)控技術(shù)研究及系統(tǒng)開發(fā)

1、<p>　　河北工業(yè)大學(xué)碩士學(xué)位論文</p><p>　　基于虛擬儀器的數(shù)控機(jī)床誤差監(jiān)控技術(shù)研究及系統(tǒng)開發(fā)</p><p><b>　　摘 要</b></p><p>　　計算機(jī)集成制造系統(tǒng)是制造信息化發(fā)展的一個主要方向，追求高精度、高效率的生產(chǎn)和低成本的產(chǎn)品，對在現(xiàn)代制造業(yè)中占主導(dǎo)地位的數(shù)控機(jī)床提出了更高的要求。目前，數(shù)控機(jī)床誤差的

2、檢測、補(bǔ)償和監(jiān)控問題已成為機(jī)械加工特別是精密加工中的瓶頸問題。另一方面，虛擬儀器技術(shù)通過軟件將計算機(jī)與儀器硬件有機(jī)的融合為一體，可以快速方便地組建各種測量控制系統(tǒng)。</p><p>　　本文在深入分析國內(nèi)外數(shù)控機(jī)床誤差監(jiān)控技術(shù)應(yīng)用現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上，利用虛擬儀器開發(fā)平臺對數(shù)控機(jī)床的幾何誤差和熱誤差進(jìn)行了采集，提出了各誤差參數(shù)辨識方法與綜合誤差模型，并且建立了數(shù)控機(jī)床誤差遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)。</p><p&

3、gt;<b>　　主要研究內(nèi)容如下：</b></p><p>　　對機(jī)床誤差源及其誤差特性進(jìn)行了深入分析，提出了機(jī)床幾何誤差和熱誤差的檢測方法；</p><p>　　以多體系統(tǒng)理論（MBS）為基礎(chǔ)，建立了包含機(jī)床幾何誤差、熱誤差的綜合誤差補(bǔ)償模型，深入分析了幾何誤差和熱誤差參數(shù)的辨識方法；</p><p>　　針對數(shù)控系統(tǒng)的遠(yuǎn)程監(jiān)控問題進(jìn)行了探

4、討，并就 LabVIEW 中的網(wǎng)絡(luò)通信方式進(jìn)行了重點(diǎn)分析；</p><p>　　具體介紹了數(shù)控機(jī)床誤差監(jiān)控系統(tǒng)的開發(fā)過程，包括子模塊的設(shè)計思路和程序編寫，實(shí)現(xiàn)了數(shù)控機(jī)床誤差的采集分析以及遠(yuǎn)程監(jiān)控。</p><p>　　此項(xiàng)研究采用 LabVIEW 作為數(shù)控系統(tǒng)的軟件開發(fā)平臺，充分利用計算機(jī)豐富的資源和強(qiáng)大的功能，設(shè)計了數(shù)控機(jī)床誤差監(jiān)控系統(tǒng)，大大縮短了系統(tǒng)開發(fā)時間，提高了產(chǎn)品的質(zhì)量，從而降低

5、了成本，具有明顯的經(jīng)濟(jì)效益。相信虛擬儀器技術(shù)會在數(shù)控機(jī)床精密加工和生產(chǎn)過程自動化方面發(fā)揮越來越重要的作用。</p><p>　　關(guān)鍵詞：數(shù)控機(jī)床，虛擬儀器，誤差監(jiān)控，幾何誤差，熱誤差，多體系統(tǒng)</p><p><b>　　i</b></p><p>　　基于虛擬儀器的數(shù)控機(jī)床誤差監(jiān)控技術(shù)研究及系統(tǒng)開發(fā)</p><p>　

6、　RESEARCH ON ERRORS MONITOR AND CONTROL TECHNIQUES FOR NC MACHINE TOOLS BASED ON VIRTUAL INSTRUMENT</p><p><b>　　ABSTRACT</b></p><p>　　The Computer Integrated Manufacturing System is

7、a main direction of manufacture information system development. Pursuing the high precise and efficient manufacture and the low cost productions impose higher demand upon the NC machine tools, which is dominant in the mo

8、dern manufacturing. At present, the inspection, compensation and monitoring of the errors have already become the bottleneck question of machining especially that of precision machining [1]. On the other hand, the virtua

9、l instrument</p><p>　　On the base of deeply analysis on error monitor and control techniques for NC machine tools application condition thorough domestic and internationally, this thesis acquisition the geom

10、etry errors and thermal errors of NC machine tools using virtual instrument development system, and puts forward each error parameter identification methods and comprehensive errors model, and established the remote erro

11、rs monitor and control system for NC machine tools.</p><p>　　The thesis’ main contents are as follows:</p><p>　　Thorough the deeply analysis on NC machine tools errors’ source and its characteri

12、stics firstly, this thesis put forward the inspection method of NC machine tools geometry errors and thermal errors .</p><p>　　On the foundation of MBS, this thesis establish the comprehensive errors compens

13、ation model include the geometry errors and thermal errors; and analyze the parameter identification methods of geometry errors and thermal errors deeply.</p><p>　　Discuss about the remote errors monitor and

14、 control system for NC machine tools and have a deeply analysis on the network communication methods on the LabVIEW software .</p><p>　　Introduced the development process of the errors monitor and control te

15、chniques for NC machine tools including the design ideas and procedure of the subroutine, and realized the error acquisition & analysis & remote monitor and control of NC machine tools.</p><p>　　This

16、 research adopts LabVIEW as the software development platform for CNC system，</p><p>　　make full use of computer abundant resources and functions to complete lots of error modeling</p><p><b&

17、gt;　　ii</b></p><p>　　河北工業(yè)大學(xué)碩士學(xué)位論文</p><p>　　works, design the errors monitor and control technique for NC machine tools. The research is not only shorten the system development time greatly

18、, but also increased the quantity of the products and lowered the cost, so have the obviously economic benefits. I confirm believe that virtual instrument technique will play more and more important roles in the precisio

19、n machining and production process automation of NC machine tools.</p><p>　　KEY WORDS: NC machine tools, virtual instrument, errors monitor, geometric errors, thermal errors, multi-body system</p><

20、;p><b>　　iii</b></p><p>　　基于虛擬儀器的數(shù)控機(jī)床誤差監(jiān)控技術(shù)研究及系統(tǒng)開發(fā)</p><p><b>　　目 錄</b></p><p><b>　　第一章緒 論1</b></p><p>　　§1-1 課題提出和意義1</

21、p><p>　　§1-2 國內(nèi)外研究動態(tài)2</p><p>　　1-2-1 虛擬儀器技術(shù)現(xiàn)狀及發(fā)展2</p><p>　　1-2-2 幾何誤差研究現(xiàn)狀3</p><p>　　1-2-3 熱誤差研究現(xiàn)狀3</p><p>　　§1-3 虛擬儀器介紹4</p><p>　　

22、1-3-1 虛擬儀器的概念及特點(diǎn)4</p><p>　　1-3-2 課題采用 LabVIEW 作為開發(fā)平臺的原因5</p><p>　　§1-4 本學(xué)位論文的主要工作及總體結(jié)構(gòu)5</p><p>　　1-4-1 本論文的主要研究內(nèi)容5</p><p>　　1-4-2 論文總體結(jié)構(gòu)6</p><p>

23、　　第二章數(shù)控機(jī)床誤差檢測分析7</p><p>　　§2-1 數(shù)控機(jī)床誤差源及其誤差特性分析7</p><p>　　2-1-1 數(shù)控機(jī)床誤差源分析7</p><p>　　2-1-2 幾何誤差特性分析7</p><p>　　2-1-3 熱變形誤差特性分析8</p><p>　　§2-2

24、幾何誤差的檢測9</p><p>　　2-2-1 幾何誤差檢測方法綜述9</p><p>　　2-2-2 雙頻激光干涉儀簡介10</p><p>　　2-2-3 雙頻激光干涉儀的使用11</p><p>　　§2-3 熱誤差的檢測12</p><p>　　2-3-1 溫度傳感器優(yōu)化布置12<

25、/p><p>　　2-3-2 熱傳感器的選擇14</p><p>　　2-3-3 溫度采集系統(tǒng)硬件組成及信號調(diào)理15</p><p>　　2-3-4 熱變形測量中微位移傳感器的選擇16</p><p>　　2-3-5 熱變形的測定方法16</p><p>　　§2-4 本章小結(jié)17</p>

26、<p>　　第三章數(shù)控機(jī)床誤差參數(shù)辨識與建模18</p><p>　　§3-1 數(shù)控機(jī)床幾何誤差參數(shù)辨識18</p><p>　　3-1-1 加工中心幾何誤差參數(shù)辨識技術(shù)概述18</p><p>　　§3-2 數(shù)控機(jī)床熱誤差參數(shù)辨識24</p><p>　　3-2-1 RBF 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法24<

27、/p><p>　　3-2-2 利用 RBF 對測溫點(diǎn)的優(yōu)化27</p><p><b>　　iv</b></p><p>　　河北工業(yè)大學(xué)碩士學(xué)位論文</p><p>　　§3-3 多體系統(tǒng)理論(MBS)的基本方法簡介28</p><p>　　3-3-1 多體系統(tǒng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)28<

28、/p><p>　　3-3-2 相鄰體間的坐標(biāo)變換矩陣29</p><p>　　3-3-3 描述任意體上給定點(diǎn)的實(shí)際位置30</p><p>　　§3-4 基于 MBS 的數(shù)控機(jī)床綜合誤差建模31</p><p>　　3-4-1 檢測系統(tǒng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及設(shè)立坐標(biāo)系31</p><p>　　3-4-2 綜合誤差模

29、型的建立32</p><p>　　§3-5 本章小結(jié)34</p><p>　　第四章本系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控技術(shù)研究35</p><p>　　§4-1 數(shù)控系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀35</p><p>　　§4-2 網(wǎng)絡(luò)計算處理模式35</p><p>　　4-2-1 客戶機(jī)/服務(wù)器（

30、Client/Server）體系結(jié)構(gòu)35</p><p>　　4-2-2 瀏覽器/服務(wù)器（Browser/Server）體系結(jié)構(gòu)35</p><p>　　§4-3 LABVIEW 中的網(wǎng)絡(luò)通信方式36</p><p>　　4-3-1 TCP 與 UDP 通信36</p><p>　　4-3-2 DataSocket 通信3

31、6</p><p>　　4-3-3 VI Server 技術(shù)的網(wǎng)絡(luò)控制38</p><p>　　4-3-4 Remote Panels 技術(shù)39</p><p>　　§4-4 本系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控的策略40</p><p>　　§4-5 本章小結(jié)41</p><p>　　第五章數(shù)控機(jī)床誤差監(jiān)控系

32、統(tǒng)開發(fā)42</p><p>　　§5-1 數(shù)控機(jī)床誤差監(jiān)控系統(tǒng)總體框架42</p><p>　　§5-2 硬件設(shè)備安裝與調(diào)試43</p><p>　　5-2-1 基于 LabVIEW 的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)組成43</p><p>　　5-2-2 數(shù)據(jù)采集卡安裝、設(shè)置和測試43</p><p>　

33、　5-2-3 信號調(diào)理設(shè)備的設(shè)置46</p><p>　　§5-3 數(shù)控機(jī)床誤差監(jiān)控系統(tǒng)主程序設(shè)計47</p><p>　　5-3-1 主程序前面板設(shè)計47</p><p>　　5-3-2 主程序的框圖程序設(shè)計48</p><p>　　§5-4 軟件主要模塊的設(shè)計48</p><p>　　

34、5-4-1 幾何誤差采集模塊的設(shè)計48</p><p>　　5-4-2 熱敏點(diǎn)溫度采集模塊設(shè)計50</p><p>　　5-4-3 幾何誤差辨識模塊設(shè)計52</p><p>　　5-4-4 熱誤差辨識模塊設(shè)計53</p><p>　　5-4-5 綜合誤差補(bǔ)償模塊設(shè)計54</p><p>　　5-4-6 加工狀

35、態(tài)遠(yuǎn)程監(jiān)控模塊的設(shè)計58</p><p>　　§5-5 本章小結(jié)61</p><p>　　第六章 結(jié)論與展望62</p><p><b>　　參考文獻(xiàn)63</b></p><p><b>　　v</b></p><p>　　基于虛擬儀器的數(shù)控機(jī)床誤差監(jiān)控技術(shù)

36、研究及系統(tǒng)開發(fā)</p><p><b>　　致 謝75</b></p><p><b>　　vi</b></p><p>　　河北工業(yè)大學(xué)碩士學(xué)位論文</p><p><b>　　第一章緒 論</b></p><p>　　§1-1 課題提出

37、和意義</p><p>　　近年來，隨著信息技術(shù)、計算機(jī)技術(shù)、微電子技術(shù)等高新技術(shù)的飛速發(fā)展，制造業(yè)領(lǐng)域也相應(yīng)發(fā)生了深刻的變化。計算機(jī)集成制造系統(tǒng)（Computer Integrated Manufacturing System）是制造信息化發(fā)展的一個主要方向，整個制造生產(chǎn)過程實(shí)質(zhì)就是信息的采集，傳遞和加工處理的過程。</p><p>　　生產(chǎn)過程自動化的飛速發(fā)展和精密加工的廣泛應(yīng)用，數(shù)控

38、機(jī)床制造行業(yè)和以數(shù)控機(jī)床為載體的眾多行業(yè)從自身出發(fā)，不約而同地對數(shù)控機(jī)床的精度和效率提出了更高的要求，從而，數(shù)控機(jī)床行業(yè)的未來發(fā)展趨勢必然是：高速化、高效化和高精度化，這也是 21 世紀(jì)制造業(yè)的基本要求。尤其是柔性制造系統(tǒng)（Flexible Manufacturing System，簡稱 FMS）和柔性制造單元(FMC)提出了機(jī)床加工過程中對各種誤差的自動監(jiān)控和自動補(bǔ)償問題。</p><p>　　為了減小誤差，解

39、決精度和效率之間的矛盾，許多專業(yè)人士已經(jīng)或正在進(jìn)行大量的科學(xué)研究和實(shí)驗(yàn)。有的采用改造機(jī)床硬件來達(dá)到減小誤差的目的，有的應(yīng)用閉環(huán)或半閉環(huán)反饋裝置對誤差進(jìn)行補(bǔ)償，它們各有特點(diǎn)，各有利弊。其中改造機(jī)床硬件的方法要通過提高加工母機(jī)的精度實(shí)現(xiàn)，成本高實(shí)現(xiàn)起來困難；反饋裝置使用普遍，但是也存在成本高的問題，每臺機(jī)床都要配備昂貴的檢測裝置，另外檢測裝置的損壞會導(dǎo)致誤差補(bǔ)償失靈甚至情況更糟。鑒于此特點(diǎn)，我們對數(shù)控機(jī)床的誤差監(jiān)測以及誤差軟件補(bǔ)償方法進(jìn)行研

40、究。</p><p>　　在上個世紀(jì)八十年代,隨著電子技術(shù)、計算機(jī)技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的高速發(fā)展與普及,有力地促進(jìn)了多年來發(fā)展相對緩慢的電子測量與儀器技術(shù)的發(fā)展,并由此產(chǎn)生一個新型的儀器概念——虛擬儀器。</p><p>　　虛擬儀器技術(shù)就是用戶自定義的基于 PC 技術(shù)的測試和測量解決方案。National Instruments(美國國家儀器有限公司，簡稱 NI)是虛擬儀器技術(shù)的創(chuàng)始人與倡導(dǎo)者

41、，提出了“軟件即是儀器”的概念，使得計算機(jī)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)快速進(jìn)入了儀器領(lǐng)域，引發(fā)了傳統(tǒng)儀器領(lǐng)域的一場重大變革。</p><p>　　虛擬儀器通過軟件將計算機(jī)與儀器硬件有機(jī)地融合為一體，可以達(dá)到共享硬件和軟件的目的。利用通用硬件模塊，可以快速方便地組建各種測量控制系統(tǒng)，利用計算機(jī)的強(qiáng)大功能，可方便地進(jìn)行信號分析、數(shù)據(jù)的處理、存儲、傳輸以及顯示等。從而把計算機(jī)強(qiáng)大的計算處理能力和儀器硬件的測量控制能力結(jié)合在一起。<

42、/p><p>　　軟件是虛擬儀器中最重要的組成部分。NI 公司的 LabVIEW(Laboratory Virtual Instruments Engineering Workbench)軟件是工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的軟件工具，用于開發(fā)測試、測量和控制系統(tǒng)。自 1986 年 LabVIEW 誕生以來，全世界的工程師和科學(xué)家們已將 LabVIEW 圖形化開發(fā)環(huán)境用于產(chǎn)品的整個設(shè)計</p><p>　　和生產(chǎn)周

43、期，提高了產(chǎn)品的質(zhì)量，縮短了產(chǎn)品的上市時間，并提高了開發(fā)和生產(chǎn)效率。其最大優(yōu)勢在于：</p><p>　　性能高、擴(kuò)展性強(qiáng)、開發(fā)時間少，以及出色的集成功能。</p><p>　　為了更好的利用虛擬儀器技術(shù)，改進(jìn)現(xiàn)有的數(shù)控加工技術(shù)，開發(fā)出一種更簡便實(shí)用的數(shù)控誤差監(jiān)控系統(tǒng)，最大限度、最高效率地創(chuàng)造出高精度、高質(zhì)量產(chǎn)品，在前人的研究成果的基礎(chǔ)上通過深入分析和研究提出本課題。</p>

44、<p>　　本課題采用的是當(dāng)前最流行的虛擬儀器軟件開發(fā)工具 LabVIEW 與相應(yīng)的硬件平臺，利用 LabVIEW 強(qiáng)大的信號采集和分析處理功能，開發(fā)了一個投資少、操作簡便的數(shù)控機(jī)床誤差監(jiān)控系統(tǒng),可以進(jìn)行數(shù)控機(jī)床誤差采集、誤差數(shù)據(jù)分析與管理、結(jié)果數(shù)據(jù)（包括波形）存儲和發(fā)布、并可進(jìn)行數(shù)控機(jī)床誤差遠(yuǎn)程監(jiān)控。</p><p>　　可以肯定地說，數(shù)控機(jī)床和虛擬儀器技術(shù)的結(jié)合，必將帶來數(shù)控技術(shù)及相關(guān)產(chǎn)業(yè)的巨大發(fā)

45、展，有著顯著的理論指導(dǎo)意義及工程實(shí)踐價值。</p><p><b>　　1</b></p><p>　　基于虛擬儀器的數(shù)控機(jī)床誤差監(jiān)控技術(shù)研究及系統(tǒng)開發(fā)</p><p>　　§1-2 國內(nèi)外研究動態(tài)</p><p>　　1-2-1 虛擬儀器技術(shù)現(xiàn)狀及發(fā)展</p><p>　　虛擬儀器（V

46、irtual Instrument）是微機(jī)化分析儀的最新產(chǎn)品，它是現(xiàn)代儀器技術(shù)與現(xiàn)代計算機(jī)技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物。</p><p>　　由于虛擬儀器技術(shù)應(yīng)用范圍廣，理論指導(dǎo)意義和工程實(shí)踐價值高，目前都已經(jīng)成為國內(nèi)外專家和學(xué)者研究的前沿和熱點(diǎn)問題。他們在虛擬儀器技術(shù)平臺上，針對數(shù)據(jù)的采集、數(shù)據(jù)分析及呈現(xiàn)、遠(yuǎn)程監(jiān)控技術(shù)等不同的方面進(jìn)行了研究和試驗(yàn)，分別取得不同程度的成果。</p><p>　　武漢大

47、學(xué)周永強(qiáng)[1]通過軟硬件技術(shù)組合，充分發(fā)揮虛擬儀器的優(yōu)勢，采用模塊化設(shè)計軟件的方法，設(shè)計并實(shí)現(xiàn)了對多路各種類型模擬量的信號采集和處理，可以滿足儀器測試任務(wù)多樣化的需求。浙江大學(xué)陳江波[2]采用 LabVIEW 語言開發(fā)了一套實(shí)驗(yàn)過程中的檢測系統(tǒng)，可以方便的在不同的實(shí)驗(yàn)中切換，并實(shí)現(xiàn)多通道的數(shù)據(jù)采集和過程中監(jiān)視各種參數(shù)。清華大學(xué)精儀系項(xiàng)偉宏、鄭力以及新疆大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院穆塔里夫·阿赫邁德[3]，以 TH6 350 臥式加工中心為

48、對象，運(yùn)用多元回歸分析方法建立了加工中心主軸的熱誤差模型，采用模糊聚類分析方法和逐步回歸方法對模型進(jìn)行了分析和優(yōu)化，構(gòu)建了一套基于虛擬儀器系統(tǒng)的溫度場和熱誤差測量系統(tǒng)，測出了加工中心的溫度場和主軸的各項(xiàng)熱誤差。浙江大學(xué)楊建明[4]基于機(jī)械制造中虛擬儀器的測試、數(shù)據(jù)分析平臺體系結(jié)構(gòu)的分析、設(shè)計工作，闡述了平臺的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和平臺的數(shù)據(jù)文件系統(tǒng)、平臺的構(gòu)建環(huán)境和運(yùn)行環(huán)境、儀器的人機(jī)效互系統(tǒng)等重要子系統(tǒng)的構(gòu)成和主要算法。并且，對于平臺開發(fā)中的若干

49、關(guān)鍵技術(shù)也進(jìn)行了研究。江蘇大學(xué)李伯全[5]介紹并分析了 DataSocket 技術(shù)，描述了基于 DataSocket 技術(shù)來</p><p>　　實(shí)際上，在國內(nèi)外，有關(guān)虛擬儀器的應(yīng)用遍布電子、機(jī)械、通信、汽車制造、生物、醫(yī)藥、化工、科研、教育等各個行業(yè)領(lǐng)域。從日本的 Honda 汽車測試、澳洲的心臟起搏器設(shè)計驗(yàn)證, 到英國電信電話線路性能測試，都在使用 NI 的虛擬儀器技術(shù)。據(jù)統(tǒng)計，85%的全球 500 強(qiáng)制造型

50、企業(yè)是 NI 虛擬儀器技術(shù)的用戶。</p><p>　　隨著計算機(jī)技術(shù)、儀器技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)的不斷完善，虛擬儀器將向以下三個方向發(fā)展[9]：</p><p>　　(1)外掛式虛擬儀器 PC-DAQ 式虛擬儀器是現(xiàn)在比較流行的虛擬儀器系統(tǒng)，但是，由于基于 PCI 總線的虛擬儀器在插入 DAQ 時都需要打開機(jī)箱等，比較麻煩，而且，主機(jī)上的 PCI 插槽有限，再加上</p>&l

51、t;p>　　測試信號直接進(jìn)入計算機(jī)，各種現(xiàn)場的被測信號對計算機(jī)的安全造成很大的威脅，同時，計算機(jī)內(nèi)部的強(qiáng)電磁干擾對被測信號也會造成很大的影響，故以 USB 接口方式的外掛式虛擬儀器系統(tǒng)將成為今后廉價型虛擬儀器測試系統(tǒng)的主流。</p><p>　　(2)PXI 型高精度集成虛擬儀器測試系統(tǒng) PXI 系統(tǒng)高度的可擴(kuò)展性和良好的兼容性，以及比 VXI 系統(tǒng)更高的性價比，將使它成為未來大型高精度集成測試系統(tǒng)的主流

52、虛擬儀器平臺。</p><p>　　(3)網(wǎng)絡(luò)化虛擬儀器 盡管 Internet 技術(shù)最初并沒有考慮如何將嵌入式智能儀器設(shè)備連接在一起，不過 NI 等公司已開發(fā)了通過 Web 瀏覽器觀測這些嵌入式儀器設(shè)備的產(chǎn)品，使人們可以通過 Internet 操作儀器設(shè)備。根據(jù)虛擬儀器的特性，我們能夠方便地將虛擬儀器組成計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)。利用網(wǎng)絡(luò)技術(shù)將分散在不同地理位置不同功能的測試設(shè)備聯(lián)系在一起，使昂貴的硬件設(shè)備、軟件在網(wǎng)絡(luò)上得以

53、共享，減少了設(shè)備重復(fù)投資?，F(xiàn)在，有關(guān) MCN(Measurement and Control Networks)方面的標(biāo)準(zhǔn)正在積極進(jìn)行，并取得了一定進(jìn)展。由此可見，網(wǎng)絡(luò)化虛擬儀器將具有廣泛的應(yīng)用前景。</p><p><b>　　2</b></p><p>　　河北工業(yè)大學(xué)碩士學(xué)位論文</p><p>　　1-2-2 幾何誤差研究現(xiàn)狀<

54、/p><p>　　從較早時的單軸機(jī)床，到現(xiàn)在的多軸機(jī)床誤差建模；從利用簡單的兒何變換、綜合多種數(shù)學(xué)方法到齊次矩陣變換的方法來解決機(jī)床的誤差建模問題，說明機(jī)床誤差建模工作一直受到人們的關(guān)注。</p><p>　　Leete[10]和 French [11]分別在 1961 年和 1967 年用三角關(guān)系推導(dǎo)了幾何誤差模型。1977 年</p><p>　　Schultsch

55、ick[12]用矢量表達(dá)式方法建立了三軸坐標(biāo)鏜床的空間誤差矩陣；同年 Hocken[13]，Ni J[14]用多維誤差矩陣模型提高了三維坐標(biāo)測量機(jī)的測量精度。1986 年 Ferreira&Liu[15]提出了基于剛體運(yùn)動學(xué)和小角度誤差假設(shè)的三軸機(jī)床幾何誤差的解析二次型模型。同年 Donmez[16]等推導(dǎo)了車床的廣義誤差合成模型，該模型既考慮了幾何誤差，也考慮了熱誤差。相關(guān)研究還包括 Anjanappa 的研究，他開發(fā)了一種運(yùn)

56、動學(xué)模型，可以合成立式車削加工中心的所有幾何誤差。1990 年 Kurtoglu 用運(yùn)動學(xué)模型補(bǔ)償了銑床的空間誤差，該模型包括了 18 項(xiàng)運(yùn)動副誤差，但不包括垂直度誤差。1992 年 Soons[17]提出了一種方法，可以得到包含旋轉(zhuǎn)軸在內(nèi)的多軸機(jī)床的誤差模型。1993 年 Chen[18]等人去除了剛體運(yùn)動假設(shè)，開發(fā)了可以對非剛體誤差進(jìn)行補(bǔ)償?shù)哪Ｐ?，該模型考慮了 32 項(xiàng)誤差成分，而不是傳統(tǒng)的 21 項(xiàng)成分。1993 年Lin&

57、;Ehmann[19]提出了一種直接空間誤差分析方法，可以評價多軸機(jī)床工作的位置和方向誤差。在國內(nèi)，章青、趙小松[20</p><p>　　1-2-3 熱誤差研究現(xiàn)狀</p><p>　　隨著科技的發(fā)展，加工精度的提高，機(jī)床的熱變形誤差越來越受到重視。資料表明，對于精密加工，機(jī)床的熱誤差占機(jī)床整個誤差的 40%-70%，因而機(jī)床熱變形及其引起的誤差一直備受人們的關(guān)注。不少科研單位投入了大量

58、的人力、物力對其進(jìn)行研究。</p><p>　　密西根大學(xué)的 S.Yang 等[24]運(yùn)用小腦模型連接控制器(CMAC)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)建立了機(jī)床熱誤差模型。密歇根大學(xué)吳賢銘制造中心的倪軍等人[25]，提出將機(jī)械加工過程中熱變形誤差補(bǔ)償理論，同其它方法結(jié)合在一起解決機(jī)床加工中出現(xiàn)的難題。他們的研究成果己經(jīng)成功地應(yīng)用于如波音公司等航空領(lǐng)域。美國國家標(biāo)準(zhǔn)和技術(shù)所(NIST) [26]是研究機(jī)床誤差補(bǔ)償技術(shù)的先驅(qū)者之一，近幾年

59、來，NIST 致力于適應(yīng)性誤差修正控制研究，即通過在一定時間段檢測工件，然后反饋誤差數(shù)據(jù)來精確調(diào)整誤差補(bǔ)償模型。韓國漢城國立大學(xué)的 H.Pahk，S.W.Lee[27]通過利用多元線性回歸和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對數(shù)控車床的熱誤差及誤差補(bǔ)償研究，在考慮軸的熱誤差同時，也考慮了其幾何誤差，對機(jī)床誤差系統(tǒng)建模，并進(jìn)行補(bǔ)償。韓國的 S．K．Kim</p><p>　　[28] 運(yùn)用有限元方法建立了機(jī)床滾珠絲杠系統(tǒng)的溫度場。韓國 Po

60、hang 科技大學(xué)的 K.G.Ahn and D.W.Cho[29]在一個小型的立式加工中心進(jìn)行熱誤差建模和預(yù)測試驗(yàn)，結(jié)果表明，如果正確地確定誤差模型，不用機(jī)床上各點(diǎn)的溫度，僅用切削條件和環(huán)境溫度就能很好地估計該機(jī)床的熱誤差。近年來，日本學(xué)者提出了“熱剛度”的概念，確立了熱變形研究理論向控制機(jī)床熱變形的 CAD 和 CAM 方向發(fā)展，并取得了一定效果。日本大阪工機(jī)公司(OKK) [30]的 TDC—FUUZY 主軸熱誤差補(bǔ)償控制器利用模

61、糊控制理論控制主軸的熱誤差。日本東京大學(xué)根據(jù)智能制造新概念已開發(fā)了由熱作動力主動補(bǔ)償綜合誤差的新方法，并在加工中心上予以實(shí)現(xiàn)。</p><p>　　在國內(nèi)方面，清華大學(xué)精密測試技術(shù)與儀器國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室高賽、殷純永[31]等提出了一種使用三路單光束干涉儀(SBI3)進(jìn)行機(jī)床主軸熱誤差的非接觸式實(shí)時測量方法,可以快速準(zhǔn)確地測量主軸熱誤差。浙江大學(xué)對機(jī)床誤差補(bǔ)償特別是熱變形研究的比較早和深入，提出了機(jī)床熱誤差 Fuzz

62、y 前饋補(bǔ)償控制策略，根據(jù)熱誤差變化規(guī)律的模糊、非線性特性，采用 Fuzzy 理論設(shè)計前饋補(bǔ)償控制器，仿真研究表明該補(bǔ)償控制策略可取得令人滿意的結(jié)果。浙江大學(xué)的應(yīng)濟(jì)、陳子辰[32]等，按一定比例制造出</p><p>　　TKA6916 數(shù)控落地銑床的縮小模型，用模擬熱源對機(jī)床上產(chǎn)生熱量的部分進(jìn)行加熱處理，以模擬機(jī)床實(shí)際工作時的受熱狀況。通過試驗(yàn)找出了機(jī)床主要部件的溫度變化規(guī)律，建立起機(jī)床誤差與機(jī)床溫度間的關(guān)系模

63、型，并收到一定的成效。近年來，浙江大學(xué)又進(jìn)行了人工智能在機(jī)床加工誤差補(bǔ)償中的應(yīng)用研究。上海交通大學(xué)的薛秉源、楊建國[33]等對一百多臺類型相同的機(jī)床熱誤差模型的魯棒性進(jìn)行研究，應(yīng)用</p><p><b>　　3</b></p><p>　　基于虛擬儀器的數(shù)控機(jī)床誤差監(jiān)控技術(shù)研究及系統(tǒng)開發(fā)</p><p>　　正交試驗(yàn)設(shè)計理論，進(jìn)行試驗(yàn)建模，最

64、后得到一個適用于一百多臺機(jī)床使用的熱誤差數(shù)學(xué)模型，且模型能在一年四季長期使用，魯棒性很好。通過實(shí)際論證，方法可行實(shí)用。華中科技大學(xué)對機(jī)床熱變形的主動補(bǔ)償研究具有特色，并提出了一種基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)辨識影響機(jī)床熱誤差關(guān)鍵點(diǎn)的新方法。天津人學(xué)的張國雄、李書和等人[34]，在不測量機(jī)床的溫度場情況下，將機(jī)床主軸轉(zhuǎn)速與機(jī)床的熱變形聯(lián)系起來，對數(shù)控機(jī)床的熱誤差進(jìn)行了大量研究，并且通過試驗(yàn)預(yù)測了機(jī)床的熱變形，取得了一定的成果，在建立機(jī)床誤差模型時，克服噪

65、聲、樣本小等困難，提出一種組合樣本的 LKL 方法，將多個小樣本組成一個大樣本用于熱變形誤差系統(tǒng)辨識，明顯提高了熱誤差模型精度。另外，他們還以 JCS-018A 立式加工中心為研究對象，建立了基于主軸轉(zhuǎn)速的熱誤差補(bǔ)償模型，在一定程度上簡化了誤差模型。天津大學(xué)的基于主軸轉(zhuǎn)速的機(jī)床熱誤差狀態(tài)方程模型、采用模糊聚類分析法進(jìn)行溫度測點(diǎn)的選擇等研究成果在加工中心誤差補(bǔ)償技術(shù)和應(yīng)用的研究中具有一定的影響。</p><p>　

66、　§1-3 虛擬儀器介紹</p><p>　　1-3-1 虛擬儀器的概念及特點(diǎn)</p><p>　　虛擬儀器技術(shù)就是用戶自定義的基于 PC 技術(shù)的測試和測量解決方案。其四大優(yōu)勢在于：性能高、擴(kuò)展性強(qiáng)、開發(fā)時間少，以及出色的集成功能。</p><p>　　1.性能高 虛擬儀器是在 PC 技術(shù)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，所以完全“繼承”了以現(xiàn)成即用的 PC 技術(shù)為主導(dǎo)

67、的最新商業(yè)技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)，包括功能超卓的處理器和文件 I/O，使您在數(shù)據(jù)導(dǎo)入磁盤的同時就能實(shí)時地進(jìn)行復(fù)雜的分析。虛擬儀器技術(shù)的另一突出優(yōu)勢就是不斷提高的網(wǎng)絡(luò)帶寬。因特網(wǎng)和越來越快的計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)分享進(jìn)入了一個全新的階段，將因特網(wǎng)和 NI 的軟硬件產(chǎn)品相結(jié)合，您就能夠輕松地與地球另一端的同事共享測量結(jié)果，分享“天涯若比鄰”的便捷。</p><p>　　2.擴(kuò)展性強(qiáng) NI 的軟硬件工具使得工程師和科學(xué)家們不再圈囿于當(dāng)前

68、的技術(shù)中。得益于 NI 軟件的靈活性，只需更新您的計算機(jī)或測量硬件，就能以最少的硬件投資和極少的、甚至無需軟件上的升級即可改進(jìn)您的整個系統(tǒng)。在利用最新科技的時候，您可以把它們集成到現(xiàn)有的測量設(shè)備，最終以較少的成本加速產(chǎn)品上市的時間。</p><p>　　3.開發(fā)時間少 在驅(qū)動和應(yīng)用兩個層面上，NI 高效的軟件構(gòu)架能與計算機(jī)、儀器儀表和通訊方面的最新技術(shù)結(jié)合在一起。NI 設(shè)計這一軟件構(gòu)架的初衷就是為了方便用戶的操作

69、，同時還提供了靈活性和強(qiáng)大的功能，使您輕松地配置、創(chuàng)建、部署、維護(hù)和修改高性能、低成本的測量和控制解決方案。</p><p>　　4.完美的集成虛擬儀器技術(shù)從本質(zhì)上說是一個集成的軟硬件概念。隨著產(chǎn)品在功能上不斷地趨</p><p>　　于復(fù)雜，工程師們通常需要集成多個測量設(shè)備來滿足完整的測試需求，但是這些不同設(shè)備間的連接和集成總是耗費(fèi)大量時間，不是輕易可以完成的。NI 的虛擬儀器軟件平臺

70、為所有的 I/O 設(shè)備提供了標(biāo)準(zhǔn)的接口，例如數(shù)據(jù)采集、視覺、運(yùn)動和分布式 I/O 等等，幫助用戶輕松地將多個測量設(shè)備集成到單個系統(tǒng)，減少了任務(wù)的復(fù)雜性。為了獲得最高的性能、簡單的開發(fā)過程和系統(tǒng)層面上的協(xié)調(diào)，這些不同的設(shè)備必須保持其獨(dú)立性，同時還要緊密地集成在一起。NI 的結(jié)構(gòu)可以使開發(fā)者們快速創(chuàng)建測試系統(tǒng)，并隨著要求的改變輕松地完成對系統(tǒng)的修改。得益于這一集成式的構(gòu)架帶來的好處，您的系統(tǒng)可以更具競爭性，因?yàn)槟梢愿咝У卦O(shè)計和測試高質(zhì)量

71、的產(chǎn)品，并將它們更快速地投入市場。</p><p>　　利用計算機(jī)強(qiáng)大的圖形用戶界面（GUI），虛擬儀器可以采用多種方式顯示采集的數(shù)據(jù)、分析的結(jié)果和控制過程，真正做到界面友好、人機(jī)交互。虛擬儀器的特點(diǎn)決定了它比傳統(tǒng)儀器性能更優(yōu)越，使用更靈活。虛擬儀器與傳統(tǒng)儀器的比較列于表 1.1。</p><p><b>　　4</b></p><p>　　河

72、北工業(yè)大學(xué)碩士學(xué)位論文</p><p>　　表 1.1 虛擬儀器與傳統(tǒng)儀器的比較</p><p>　　Table 1.1 Comparison between virtual instrument and traditional instrument</p><p>　　1-3-2 課題采用 LabVIEW 作為開發(fā)平臺的原因</p><p>

73、;　　LabVIEW 是 NI 推出的虛擬儀器開發(fā)平臺軟件，它以其直觀簡便的編程方式、眾多的源碼級的設(shè)備驅(qū)動程序、多種多樣的分析和表達(dá)功能，為用戶快捷地構(gòu)筑自己在實(shí)際生產(chǎn)中所需要的儀器系統(tǒng)創(chuàng)造了基礎(chǔ)條件。</p><p>　　C 或 C++等其它計算機(jī)高級語言一樣，LabVIEW 也是一種通用編程系統(tǒng)，具有各種各樣、功能強(qiáng)大的函數(shù)庫，包括數(shù)據(jù)采集、GPIB、串行儀器控制、數(shù)據(jù)分析、數(shù)據(jù)顯示及數(shù)據(jù)存儲，甚至還有目前

74、十分熱門的網(wǎng)絡(luò)功能。LabVIEW 也有完善的仿真、調(diào)試工具，如設(shè)置斷點(diǎn)、單步等。LabVIEW 的動態(tài)連續(xù)跟蹤方式，可以連續(xù)、動態(tài)地觀察程序中的數(shù)據(jù)及其變化情況，比其它語言的開發(fā)環(huán)境更方便、更有效。而且 LabVIEW 與其它計算機(jī)語言相比，有一個特別重要的不同點(diǎn)：其它計算機(jī)語言都是采用基于文本的語言產(chǎn)生代碼行，而 LabVIEW 采用圖形化編程語言－G 語言。</p><p>　　總之，由于 LabVIEW

75、能夠?yàn)橛脩籼峁┖喢?、直觀、易用的圖形編程方式，能夠?qū)⒎爆崗?fù)雜的語言編程簡化成為以菜單提示方式選擇功能，并且用線條將各種功能連接起來，十分省時簡便，深受用戶青睞。與傳統(tǒng)的編程語言比較，LabVIEW 圖形編程方式能夠節(jié)省 85％以上的程序開發(fā)時間，其運(yùn)行速度卻幾乎不受影響，體現(xiàn)出極高的效率。</p><p>　　正如上面所述，LabVIEW 具有其他語言無法比擬的優(yōu)勢，而且很多領(lǐng)域已經(jīng)將虛擬儀器用于誤差的估計和校驗(yàn)

76、，對于實(shí)時性要求比較高的情況更是如此。因此，本課題選擇 LabVIEW 作為開發(fā)平臺。</p><p>　　§1-4 本學(xué)位論文的主要工作及總體結(jié)構(gòu)</p><p>　　1-4-1 本論文的主要研究內(nèi)容</p><p><b>　　本論文主要內(nèi)容：</b></p><p>　　首先對機(jī)床誤差源及其誤差特性進(jìn)行了

77、深入分析，提出了機(jī)床幾何誤差和熱誤差的檢測方法；</p><p>　　以多體系統(tǒng)理論（MBS）為基礎(chǔ)，建立了包含機(jī)床幾何誤差、熱誤差的綜合誤差補(bǔ)償模型；深入分析了幾何誤差和熱誤差參數(shù)的辨識方法；</p><p>　　針對數(shù)控系統(tǒng)的遠(yuǎn)程監(jiān)控問題進(jìn)行了探討；并就 LabVIEW 中的網(wǎng)絡(luò)通信方式進(jìn)行了分析；</p><p>　　具體介紹了數(shù)控機(jī)床誤差監(jiān)控系統(tǒng)的開發(fā)過程，

78、包括子模塊的設(shè)計思路和程序編寫，實(shí)現(xiàn)了數(shù)控機(jī)</p><p>　　床誤差的采集分析以及遠(yuǎn)程監(jiān)控。</p><p>　　其中數(shù)控機(jī)床幾何誤差和熱誤差采集技術(shù)是誤差分析和誤差補(bǔ)償?shù)幕A(chǔ)，誤差辨識和綜合誤差模型的建立是誤差補(bǔ)償?shù)年P(guān)鍵技術(shù)，這些內(nèi)容的最終落腳點(diǎn)是數(shù)控機(jī)床誤差監(jiān)控系統(tǒng)的開發(fā)。</p><p><b>　　5</b></p>

79、<p>　　基于虛擬儀器的數(shù)控機(jī)床誤差監(jiān)控技術(shù)研究及系統(tǒng)開發(fā)</p><p>　　1-4-2 論文總體結(jié)構(gòu)</p><p><b>　　機(jī)床誤差</b></p><p><b>　　分析</b></p><p><b>　　誤差檢測</b></p>&l

80、t;p><b>　　方法</b></p><p><b>　　誤差參數(shù)</b></p><p><b>　　辨識</b></p><p><b>　　綜合誤差</b></p><p><b>　　模型</b></p>

81、<p><b>　　網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控</b></p><p><b>　　技術(shù)</b></p><p><b>　　誤差監(jiān)控</b></p><p><b>　　系統(tǒng)開發(fā)</b></p><p><b>　　誤差源分析</b>&

82、lt;/p><p><b>　　誤差特性分析</b></p><p><b>　　幾何誤差檢測</b></p><p><b>　　熱誤差檢測</b></p><p><b>　　幾何誤差參數(shù)辨識</b></p><p><b&g

83、t;　　熱誤差參數(shù)辨識</b></p><p><b>　　MBS方法</b></p><p><b>　　網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)</b></p><p><b>　　網(wǎng)絡(luò)通信方式</b></p><p><b>　　幾何誤差采集</b></p&g

84、t;<p><b>　　熱誤差采集</b></p><p><b>　　幾何誤差辨識</b></p><p><b>　　熱誤差辨識</b></p><p><b>　　綜合誤差補(bǔ)償</b></p><p><b>　　加工狀態(tài)遠(yuǎn)程

85、監(jiān)控</b></p><p>　　圖 1.1 課題內(nèi)容結(jié)構(gòu)</p><p>　　Fig. 1.1 The structure of this thesis</p><p><b>　　6</b></p><p>　　河北工業(yè)大學(xué)碩士學(xué)位論文</p><p>　　第二章數(shù)控機(jī)床誤差檢測

86、分析</p><p>　　§2-1 數(shù)控機(jī)床誤差源及其誤差特性分析</p><p>　　本課題要采集的信號是數(shù)控機(jī)床加工時的誤差數(shù)據(jù)，數(shù)控機(jī)床誤差源及其誤差特性分析的目的是得出機(jī)床有多少種誤差，哪種誤差影響最大，哪種誤差可以補(bǔ)償，這是建立誤差模型的基礎(chǔ)工作。</p><p>　　2-1-1 數(shù)控機(jī)床誤差源分析</p><p><

87、;b>　?、艓缀握`差</b></p><p>　　數(shù)控機(jī)床的幾何誤差是指由于機(jī)床零件和結(jié)構(gòu)的制造誤差以及整機(jī)的裝配、安裝不當(dāng)而造成的不隨時間變化的機(jī)床加工空間定位誤差。機(jī)床的幾何誤差是由每個滑塊沿導(dǎo)軌運(yùn)動的位姿誤差和導(dǎo)軌在空間的相互位置偏差引起的。它是構(gòu)成機(jī)床不精確的主要誤差源之一。幾何誤差可能呈現(xiàn)出連續(xù)性,也可能表現(xiàn)出滯后性或隨機(jī)性。</p><p><b>

88、　?、茻嶙冃握`差</b></p><p>　　熱誤差是那些因溫度上升引起機(jī)床元件的膨脹變形并最終導(dǎo)致工件和刀具之間的相對位移,它對精密加工的影響很大。據(jù)英國伯明翰大學(xué) J.Peclenik 教授和日本京都大學(xué)垣野義昭教授的統(tǒng)計表明:在精密加工中,由機(jī)床熱變形所引起的制造誤差占總制造誤差的 40%～70%。</p><p><b>　　⑶載荷誤差</b>&l

89、t;/p><p>　　包括重力負(fù)載、軸加速以及機(jī)床振動誤差。指由于切削力的作用,機(jī)床的零部件發(fā)生變形,導(dǎo)致刀具和工件的相對位置發(fā)生變化，最終導(dǎo)致加工誤差。</p><p><b>　　⑷其它誤差源</b></p><p>　　包括材料不穩(wěn)定引起的誤差、刀具磨損誤差、裝夾誤差、環(huán)境誤差等。</p><p>　　在以上各種誤差當(dāng)

90、中，幾何誤差、熱變形誤差是最主要的誤差來源，大約能占到總誤差的 50％～75％以上。因此，我們主要分析這兩種誤差的特性。</p><p><b>　　x(x)</b></p><p><b>　　X</b></p><p>　　圖 2.1 六個自由度的誤差運(yùn)動</p><p>　　Fig. 2.1

91、Single coordinate movement errors</p><p>　　2-1-2 幾何誤差特性分析</p><p>　　幾何誤差包括角度誤差、位置誤差和軸間相對誤差。運(yùn)動學(xué)原理表明，一個物體在空間由六個自由</p><p><b>　　7</b></p><p>　　基于虛擬儀器的數(shù)控機(jī)床誤差監(jiān)控技術(shù)研

92、究及系統(tǒng)開發(fā)</p><p>　　度來確定它的位置和方向，包括三個平移自由度和三個回轉(zhuǎn)自由度。在理想情況下，機(jī)床的每個運(yùn)動部件只有一個自由度的相對運(yùn)動，導(dǎo)軌限制了其它五個自由度運(yùn)動。而實(shí)際上，每個方向的工作運(yùn)動都伴隨著六個自由度的誤差運(yùn)動。如圖 2.1 所示。</p><p>　?、傺?x 軸的軸向定位誤差δ x(x)；</p><p>　?、诶@ x 軸的轉(zhuǎn)角誤差—

93、—滾擺ε x(x)；</p><p>　?、垩?Y 向的平移誤差——水平不直度δ y(x)；</p><p>　?、芾@ Y 軸的轉(zhuǎn)角誤差——顛擺ε y(x)；</p><p>　?、菅?Z 向的平移誤差——垂直不直度δ z(x)；</p><p>　?、蘩@ Z 軸的轉(zhuǎn)角誤差——搖擺ε z(x)。</p><p>　

94、　誤差元素數(shù)量是根據(jù)機(jī)床的軸的數(shù)量變化的。因此，一臺典型的三坐標(biāo)加工中心共有 18 個誤差運(yùn)動，再加上 X 向、Y 向、Z 向三條互相垂直的直線運(yùn)動軸之間的垂直度誤差，這三項(xiàng)垂直度誤差不隨機(jī)床運(yùn)動部件的運(yùn)動而改變，總共 21 項(xiàng)運(yùn)動誤差參數(shù)。各誤差元素表示方法如表 2.1。</p><p>　　表 2.1 三軸數(shù)控機(jī)床幾何誤差參數(shù)對照表</p><p>　　Table 2.1 Geomet

95、ric error parameters of a 3-axis NC machine tool</p><p>　　通過誤差描述可以將所有的幾何誤差元素表示清楚，為誤差參數(shù)辨識、誤差建模及誤差補(bǔ)償工作奠定了基礎(chǔ)。</p><p>　　2-1-3 熱變形誤差特性分析</p><p><b>　　1.機(jī)床熱動態(tài)過程</b></p>

96、<p><b>　　溫升(T)→熱平衡</b></p><p>　　機(jī)床幾何形狀構(gòu)件形狀與物性</p><p>　　等效節(jié)點(diǎn)力機(jī)床支承狀態(tài)</p><p><b>　　剛度</b></p><p><b>　　熱變形()</b></p><p

97、><b>　　膨脹系數(shù)</b></p><p><b>　　位移(δ)</b></p><p><b>　　機(jī)床結(jié)構(gòu)系統(tǒng)</b></p><p><b>　　加工精度下降</b></p><p><b>　　8</b></

98、p><p>　　河北工業(yè)大學(xué)碩士學(xué)位論文</p><p>　　圖 2.2 機(jī)床熱動態(tài)過程</p><p>　　Fig. 2.2 The heat impress process of machine tools</p><p>　　機(jī)床熱動態(tài)過程就是系統(tǒng)受到內(nèi)外熱源擾動，使機(jī)床各部分產(chǎn)生溫變至熱平衡的不穩(wěn)定階段，從而造成加工精度下降的導(dǎo)熱變形過程

99、。如圖 2.2 所示。</p><p>　　在機(jī)床運(yùn)轉(zhuǎn)過程中，由于機(jī)床在一定條件下形成的內(nèi)部熱源和周圍環(huán)境變化的外部熱源作用下，產(chǎn)生熱量并傳給機(jī)床，使各部位產(chǎn)生溫變，各零、部件產(chǎn)生熱變形；由于各零件形狀、結(jié)構(gòu)及約束條件不同，引起拉、壓、彎、扭等各種熱位移，使與加工精度有關(guān)的各零、部件產(chǎn)生相對位置變化，必然導(dǎo)致機(jī)床加工精度下降。各種熱源的發(fā)熱量以及環(huán)境溫度均隨具體加工情況、時間而變化，同時機(jī)床有一定熱容量，其溫升必

100、然存在時滯現(xiàn)象，所以從根本上說，機(jī)床熱變形是隨時間而變化的非恒定現(xiàn)象。</p><p>　　機(jī)床內(nèi)熱源主要是電機(jī)功率損耗、運(yùn)動部件摩擦產(chǎn)生的熱量、冷卻潤滑液、切削熱等；外熱源主要是環(huán)境溫度變化、日照幅射等。</p><p>　　如果對于三坐標(biāo)立式加工中心來講，常見的熱源包括:主軸電機(jī)、主軸軸承摩擦、主軸箱齒輪摩擦、 X, Y, Z 軸驅(qū)動電機(jī)、X, Y, Z 向絲杠螺母摩擦、油泵和 X,Y

101、, Z 向?qū)к壐蹦Σ痢Ｍ瑫r，加上中心的支持部</p><p>　　件也可能成為影響熱變形的熱源，其中常見的有電源、電氣部分和換刀驅(qū)動馬達(dá)等。2.立式加工中心結(jié)構(gòu)及熱源分布特點(diǎn)</p><p>　　因?yàn)闊嵩捶植贾苯佑绊懼庸ぶ行拇搀w溫度場的分布和變化，所以在布置測溫點(diǎn)之前，首先要依據(jù)不同加工中心的結(jié)構(gòu)布局，對加工中心的內(nèi)、外熱源進(jìn)行細(xì)致的分析。下面以 MAKINO 立式加工中心為例，具有以下

102、特點(diǎn)：</p><p>　?。?）立式加工中心一般都有良好的潤滑系統(tǒng)。機(jī)床開動后，潤滑單元間歇地將潤滑油輸送到 X、Y、Z 向?qū)к墶、Z 向絲杠（X 向采用潤滑脂，定期添加）和刀庫驅(qū)動鏈等。（潤滑油泵的功率較小，</p><p>　　馬達(dá)每四分鐘轉(zhuǎn)一周，所以不把它考慮為主要熱源。）因此，在精加工中，由于進(jìn)給速度不高，滑動副產(chǎn)生的熱量較少，所以導(dǎo)軌和絲杠上的溫度梯度不大。</p>

103、;<p>　?。?）對 MAKINO 立式加工中心來說，立柱左側(cè)有電器柜；右側(cè)有油泵和制冷機(jī)，后面有電源。但由于電器柜、電源、油泵和制冷機(jī)均設(shè)在床體外圍，離立柱壁有一定距離，所以熱量都發(fā)散在空氣中，它們只能間接影響立柱箱壁。所以它們也不是立式加工中心的主要熱源。</p><p>　?。?）同所有銑削機(jī)床相同，加工中心的主軸軸承在主軸旋轉(zhuǎn)時會產(chǎn)生大量的摩擦熱。非常顯著的是：主軸箱軸端附近的溫升幅值最大

104、，在 20℃環(huán)境溫度下可達(dá) 3℃。（這些溫度測量值僅是機(jī)床表面的溫度。）主軸的熱伸長和熱傾斜依舊是影響加工和在線測量精度的主要因素。主軸溫度控制單元的目的是要把主軸前端溫度控制在床身溫度的上下 2℃范圍內(nèi)，因此它在一定程度上能減小主軸的熱變形，減緩機(jī)床溫度場的不均衡程度，但它無法抑制機(jī)床整體溫度水平的升高，保證主軸不發(fā)生熱伸長和熱傾斜。</p><p>　?。?）MAKINO 立式加工中心的三個進(jìn)給電機(jī)和主軸電機(jī)

105、都探出在床體外，并具有效率較高的散熱機(jī)構(gòu)，大部分熱量都散失在空氣中，對床體的影響不直接。</p><p>　　§2-2 幾何誤差的檢測</p><p>　　2-2-1 幾何誤差檢測方法綜述</p><p>　　在幾何誤差的測量方法方面，國內(nèi)外的專家提出了多種多樣的工具和方法，主要可以分為兩大類，一類是單項(xiàng)幾何誤差參數(shù)直接測量法，另一類是綜合誤差測量參數(shù)辨識

106、法。</p><p>　　單項(xiàng)幾何誤差直接測量法利用相應(yīng)的測量儀器，對各項(xiàng)幾何誤差逐一直接測量，得到分離的單項(xiàng)誤差參數(shù)。該方法經(jīng)幾十年的發(fā)展，形成了多種測量方法，常見的有：螺距誤差用光柵磁柵等設(shè)備來測量，直線度誤差的測量用基準(zhǔn)平尺法、激光準(zhǔn)直法和測微準(zhǔn)直法等，垂直度誤差用標(biāo)準(zhǔn)直尺法等．這些傳統(tǒng)的測量方法測量效率低，精度差，且需要多種儀器設(shè)備，難以實(shí)現(xiàn)自動測量，因而不能滿足現(xiàn)代高生產(chǎn)</p><

107、p><b>　　9</b></p><p>　　基于虛擬儀器的數(shù)控機(jī)床誤差監(jiān)控技術(shù)研究及系統(tǒng)開發(fā)</p><p><b>　　率的要求。</b></p><p>　　綜合誤差測量參數(shù)辨識法是對機(jī)床工作區(qū)域內(nèi)的特定點(diǎn)的定位誤差進(jìn)行測量，通過數(shù)學(xué)模型對其測量點(diǎn)的綜合誤差進(jìn)行參數(shù)辨識，間接得到機(jī)床各項(xiàng)誤差參數(shù)的離散值。通過

108、查閱有關(guān)文獻(xiàn)資料，對現(xiàn)存的綜合誤差測量參數(shù)辨識方法歸納如下：</p><p>　　天津大學(xué)李書和[35]等研究了一種快速檢具——一維球列，它根據(jù)主軸轉(zhuǎn)速和 Z 坐標(biāo)值，通過基于主軸轉(zhuǎn)速的自回歸模型及插值計算公式，在加工之前就可以預(yù)測熱誤差，根據(jù)誤差值修改加工程序達(dá)到補(bǔ)償熱誤差的目的。這種方法屬于預(yù)補(bǔ)償，無需附加任何硬件，具有精度高、效率高、價格低等優(yōu)點(diǎn)，它可以測量機(jī)床的全部 21 項(xiàng)幾何誤差和熱誤差，在機(jī)床誤差檢

109、測和補(bǔ)償中具有廣泛用途。</p><p>　　西安理工大學(xué)郭俊杰[36]等使用二維檢具（球板或孔板），可以快速檢測三坐標(biāo)測量機(jī)的空間誤差。他利用多項(xiàng)式回歸的方法，分離坐標(biāo)測量機(jī)的 21 項(xiàng)幾何誤差，并在 MATLAB 上進(jìn)行了數(shù)據(jù)仿真，證明了此方法的準(zhǔn)確性和可靠性，其檢測方法、誤差模型的建立和誤差補(bǔ)償?shù)脑矸椒ㄒ餐瑯舆m用于數(shù)控機(jī)床、加工中心、機(jī)器人等領(lǐng)域。</p><p>　　天津大學(xué)精密

110、儀器與光電子工程學(xué)院王東升[37]等使用 Renishaw 檢查規(guī)測量 XY、YZ、XZ 平面內(nèi)特定圓周上各點(diǎn)的空間誤差，通過最小二乘法，可分解出所有 21 項(xiàng)幾何誤差。這種方法操作方便、精度高，僅用兩小時即可完成全部 21 項(xiàng)誤差的測量，為通過誤差補(bǔ)償提高坐標(biāo)測量機(jī)的精度提供了有效手段。</p><p>　　北京交通大學(xué)馮其波[38]等提出了動態(tài)測量數(shù)控機(jī)床幾何誤差的方法，用于在某些精密加工和高速加工場合，對數(shù)

111、控機(jī)床進(jìn)行動態(tài)測量補(bǔ)償。</p><p>　　磁性球頭棒作為一種簡便、快速的測量工具，近些年來也引起國內(nèi)外許多學(xué)者關(guān)注，他們從幾何誤差對誤差源模式的影響出發(fā)，提出了多種誤差分離方法，但是，當(dāng)多個幾何誤差源同時起作用時，這類方法很難準(zhǔn)確地加以分離。</p><p>　　天津大學(xué)劉又午教授[39]等利用九線法雙頻激光干涉儀測量幾何誤差，采用基于空間誤差模型的加工中心幾何誤差參數(shù)辨識方法，辨識三

112、坐標(biāo)加工中心的全部 21 項(xiàng)幾何誤差，并基于多體理論建立幾何誤差補(bǔ)償模型。證明只要被測機(jī)床具有較好的穩(wěn)定性和重復(fù)性，幾何誤差的辨識精度可以得到保證。</p><p>　　此外，還有測頭系統(tǒng)誤差參數(shù)辨識方法，接觸式觸發(fā)測頭像普通刀具一樣安裝在機(jī)床刀庫中，由程序控制可自動調(diào)出并安裝在機(jī)床主軸上，由程序控制進(jìn)行自動測量并將測量結(jié)果反饋至機(jī)床控制系統(tǒng)。</p><p>　　在可滿足辨識精度要求的前

113、提下，采用最簡潔的測量方式獲得辨識誤差所需基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，是選擇測量方法的主要依據(jù)。同時考慮到，幾何誤差的性質(zhì)和便于誤差元素的建模，選擇國際公認(rèn)的進(jìn)行數(shù)控機(jī)床精度檢定的儀器——雙頻激光干涉儀作為本課題的幾何誤差檢測設(shè)備。</p><p>　　2-2-2 雙頻激光干涉儀簡介</p><p>　　眾所周知，激光的波長是極其穩(wěn)定的，因此在國際標(biāo)準(zhǔn)中激光干涉儀是唯一公認(rèn)的進(jìn)行數(shù)控機(jī)床精度檢定的儀器，是檢