大型數(shù)控機床多誤差元素建模及綜合補償.pdf

1、本文在多個國家重大專項、國家自然科學基金及全國高等學校博士學科點專項科研基金項目的支持下，以14m大型龍門數(shù)控機床為研究對象，首先對影響其加工精度的多誤差元素進行分析和測量，其次，建立多誤差元素模型，并依據(jù)齊次坐標變換理論，建立包含各項誤差元素的綜合誤差模型，最后研發(fā)誤差實時補償系統(tǒng)，并對各誤差元素模型及綜合誤差模型進行實驗驗證。
　　本文的主要研究內(nèi)容如下：
　　(1)對大型數(shù)控機床的幾何誤差及熱誤差進行分析，對其具體含義

2、、產(chǎn)生原因、主要影響及應對策略作具體說明，并擬確定直線度誤差、幾何與熱復合的定位誤差為大型數(shù)控機床的敏感和主要誤差源。對數(shù)控機床各項誤差進行激光干涉儀測量，并對其測量原理、測量規(guī)范及已有測量方法之間的區(qū)別作了詳細闡述。通過理論分析及誤差實測的方法，確定大型數(shù)控機床的敏感和主要誤差為直線度誤差、幾何與熱復合的定位誤差，并把其作為本文主要的誤差補償內(nèi)容。
　　(2)針對旋轉編碼器定位的絲杠螺母傳動系統(tǒng)，在溫升和冷卻階段，分別對絲杠軸進

3、行熱特性分析，建立絲杠軸瞬態(tài)溫度和時間的指數(shù)關系表達式，根據(jù)溫升或者冷卻時間，可應用該表達式對絲杠實時瞬態(tài)溫度進行計算。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合的定位誤差數(shù)學模型。考慮到復雜的加工狀況，絲杠并非處于熱均勻狀態(tài)，把絲桿軸細分成多個細小熱均勻單元，對每個細小熱均勻單元應用熱均勻絲杠定位誤差數(shù)學模型，可計算得到任意時刻每個細小單元的幾何與熱復合定位誤差量，繼而把這些細小單元的定位誤差模型進行疊加，建立整個絲

4、杠軸的幾何與熱復合的定位誤差數(shù)學模型。
　　(3)針對光柵尺定位的長距離運動軸，通過在光柵定尺上布置多個溫度傳感器，實時監(jiān)測其溫度數(shù)據(jù)，并通過插值方法，計算光柵定尺上每個位置點的溫度值，依據(jù)熱膨脹理論，根據(jù)光柵定尺上每個位置點的溫升量，對位置信息進行積分，從而計算得到光柵定尺上每個位置點的熱伸長量，結合光柵尺幾何定位誤差，建立光柵尺的幾何與熱復合的定位誤差數(shù)學模型。
　　(4)針對數(shù)據(jù)不規(guī)則變化的直線度誤差，提出了應用B樣條

5、曲線對其擬合建模的方法。借助B樣條曲線優(yōu)越的數(shù)據(jù)擬合和局部可調整能力，對數(shù)控機床三個移動軸的六項直線度誤差進行擬合，并對模型的擬合精度進行評估，通過增加控制節(jié)點的個數(shù)，可進一步提升B樣條模型擬合精度。對六項直線度誤差模型進行空間矢量疊加，建立空間直線度誤差數(shù)學模型，并推導出空間誤差數(shù)學模型在各移動軸方向上的分量。
　　(5)針對有網(wǎng)絡接口的機床數(shù)控系統(tǒng)，基于工業(yè)計算機，開發(fā)設計了基于網(wǎng)絡接口的誤差實時補償系統(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界面模塊等；針對無網(wǎng)絡接口的機床數(shù)控系統(tǒng)，基于臺達PLC，設計開發(fā)了基于I/O模塊的誤差實時補償系統(tǒng)，其通過數(shù)字量輸入輸出口，實現(xiàn)補償數(shù)據(jù)和位置數(shù)據(jù)在補償系統(tǒng)和數(shù)控系統(tǒng)之間的交互。
　　(6)對誤差測量的準確性、誤差建模的精確性及誤差實時補償系統(tǒng)的有效性進行實驗驗證。首先，對空間直線度誤差數(shù)學模型和幾何與熱復合的定位誤差數(shù)學模型進行誤差元素驗證，應用誤差實時補償系統(tǒng)，對各誤差元素進