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

1、數(shù)控機床的幾何與熱復(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行有效辨識與補償受到了國內(nèi)學(xué)者與機床生產(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，以沈陽機床集團生產(chǎn)的一臺立式加工中心和浙江日發(fā)精機生產(chǎn)的一臺大型龍門機床為研究對象，對數(shù)控機床關(guān)鍵誤差的識別、建模與補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)控機床關(guān)鍵誤差的辨識與分析，建立了數(shù)控機床幾何與

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機開發(fā)了一套實時智能誤差補償系統(tǒng)，對機床的幾何與熱復(fù)合位置誤差進行實時補償，有效提高了數(shù)控機床的實際加工精度。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)控機床的通用空間誤差模型。通過對數(shù)控機床的結(jié)構(gòu)特點與誤差表現(xiàn)形式的研究分析，基于多體運動學(xué)理論建立了適用于立式加工中心、臥式加工中心、大型龍門機床、臥式鏜床等不同結(jié)構(gòu)類型數(shù)控機床的通用

3、空間誤差模型。通過考慮平動軸角偏誤差對機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，同時適用于不同行程大小與結(jié)構(gòu)類型的數(shù)控機床。
　　(2)提出了不同結(jié)構(gòu)類型數(shù)控機床關(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)控機床直線位置精度與平面圓軌跡精度的影響機理。并分析了其在不同行程大小、結(jié)構(gòu)類型機床上的表現(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償?shù)男省?br>　　(3)對立式加工中心的關(guān)鍵誤差進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。針對機床絲桿的熱誤

5、差，提出了基于自然指數(shù)熱機理分析法的機床熱誤差建模方法，并確定了機床絲桿熱誤差的產(chǎn)生機理，以及其隨溫度場的變化規(guī)律。此外，其還可以克服在機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，提高了補償模型的魯棒性。
　　(4)對大型龍門機床的關(guān)鍵誤差進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床導(dǎo)軌直線度誤差測量方法。然后針對龍門機床運動行程大

6、、幾何位置誤差曲線復(fù)雜的特點，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，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，通過對龍門機床平動軸角偏誤差引起的Abbe誤差進行分析與建模，有效地提高了龍門機床的三維空間定位精度。
　　(5)開發(fā)了虛擬儀器實時誤差補償系統(tǒng)?；贜I虛擬儀器與嵌入式PC機開發(fā)了一套綜合誤差實時補償系統(tǒng)，

7、結(jié)合數(shù)控系統(tǒng)的外部機械原點偏移功能，其可以對機床的幾何與熱復(fù)合位置誤差進行實時補償。補償軟件平臺嵌入了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)不同的補償需求，本文分別基于快速以太網(wǎng)與機床外部I/O模塊開發(fā)了兩種補償方案，其分別通過內(nèi)部嵌入式以太網(wǎng)或機床外部I/O模塊與數(shù)控系統(tǒng)的PMC窗口功能模塊進行數(shù)據(jù)交互，有效提高

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