加工中心誤差建模與動態(tài)實時補償試驗和應(yīng)用研究.pdf

1、本文在國家科技重大專項“高檔數(shù)控機床與基礎(chǔ)制造裝備”、“國家自然科學(xué)基金”和“全國高等學(xué)校博士學(xué)科點專項科研基金”等項目資助和支持下，針對影響數(shù)控加工中心精度的誤差元素，進(jìn)行了加工中心誤差元素分析、誤差綜合數(shù)學(xué)模型建立、進(jìn)給軸幾何和熱的復(fù)合誤差建模與主軸熱漂移誤差建模及誤差元素動態(tài)實時補償與應(yīng)用研究，并在實際加工中進(jìn)行驗證。
　　本文主要內(nèi)容如下：
　?、胚M(jìn)行加工中心的誤差元素分析，研究影響數(shù)控機床加工精度的各項誤差元素（重

2、點分析加工中心的幾何誤差與熱誤差元素），并在誤差元素分析的基礎(chǔ)上建立數(shù)控加工中心誤差元素表。誤差元素表的建立為數(shù)控加工中心誤差元素的快速辨識奠定基礎(chǔ)。
　?、平⒘薞M850數(shù)控加工中心綜合數(shù)學(xué)模型。在數(shù)控加工中心誤差元素分析及誤差元素表的基礎(chǔ)上，應(yīng)用齊次坐標(biāo)變換理論建立VM850數(shù)控加工中心綜合數(shù)學(xué)模型。綜合數(shù)學(xué)模型的建立為數(shù)控加工中心誤差元素的檢測與建模提供理論依據(jù)。
　　⑶提出了加工中心進(jìn)給軸幾何與熱誤差復(fù)合誤差建模新

3、方法。在對加工中心進(jìn)行誤差檢測分析的基礎(chǔ)上，以誤差分離技術(shù)為出發(fā)點，通過傅立葉級數(shù)理論建立基準(zhǔn)誤差模型，并應(yīng)用相關(guān)分析理論建立誤差曲線斜率與溫度之間的關(guān)系，將其結(jié)合確定加工中心進(jìn)給軸幾何誤差與熱誤差的復(fù)合誤差數(shù)學(xué)模型，通過外部實時補償系統(tǒng)與加工中心數(shù)控系統(tǒng)實時通訊，實現(xiàn)誤差實時補償。該方法能有效并經(jīng)濟地提高加工中心精度。
　　⑷基于線性插值理論以及牛頓插值理論，建立了加工中心進(jìn)給軸幾何誤差與熱誤差復(fù)合誤差數(shù)學(xué)模型。通過線性插值可以

4、方便計算出所需補償數(shù)值，而應(yīng)用牛頓差值方法的優(yōu)點在于無需進(jìn)行原始誤差的誤差分離，根據(jù)構(gòu)造的均差表及基準(zhǔn)誤差曲線的牛頓插值多項式系數(shù)內(nèi)在規(guī)律，建立誤差數(shù)學(xué)模型，進(jìn)而提高誤差補償實施的效率。
　?、商岢隽艘环N基于綜合判定時間序列主軸熱漂移誤差建模新方法以及一種時間序列-神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)熱誤差混合預(yù)測模型（Time Series-Neural Network,TS-NN）。針對加工中心主軸熱漂移誤差，以加工中心主軸溫升過程的關(guān)鍵溫度點數(shù)據(jù)及熱誤

5、差數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)進(jìn)行誤差建模，建模過程綜合考慮數(shù)據(jù)預(yù)處理、模式識別以及多種判定準(zhǔn)則，建立的加工中心主軸溫升過程熱誤差模型在預(yù)測精度及魯棒性方面，與以往建模方法對比有顯著提升。此外，基于時間序列與神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)理論，提出了時間序列-神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)熱誤差混合預(yù)測模型，應(yīng)用權(quán)重模型并有機結(jié)合兩種建模方法的優(yōu)勢，使誤差擬合效果進(jìn)一步提升。
　?、试O(shè)計開發(fā)了數(shù)控加工中心多軸、多誤差動態(tài)實時補償系統(tǒng)。該系統(tǒng)基于加工中心外部坐標(biāo)偏移，下位機以單片機為開發(fā)平臺，

6、采用多線程技術(shù)，經(jīng)PMC（Programmable Machine Controller）與數(shù)控系統(tǒng)進(jìn)行實時交互，通過外部坐標(biāo)偏移功能實現(xiàn)機床誤差實時補償，并設(shè)計開發(fā)了以LABVIEW為平臺的上位機軟件，該軟件可實現(xiàn)測量數(shù)據(jù)的自動讀取以及幾何誤差與熱誤差的自動建模，補償效率及精度高，初步形成專家系統(tǒng)功能?；趪a(chǎn)數(shù)控系統(tǒng)開發(fā)外部坐標(biāo)偏移功能，并進(jìn)行誤差補償系統(tǒng)功能性實驗，驗證補償系統(tǒng)的誤差動態(tài)實時補償能力。
　?、诉M(jìn)行了數(shù)控加工中

7、心誤差動態(tài)實時補償?shù)脑囼灪蛻?yīng)用研究。針對誤差實時補償系統(tǒng)，設(shè)計了VM850數(shù)控加工中心在空載條件下的溫升前后誤差補償實驗，綜合應(yīng)用激光干涉儀、球桿儀和電渦流位移傳感器等設(shè)備測量實驗前后的對比結(jié)果。誤差實時補償系統(tǒng)通過加工中心外部坐標(biāo)偏移功能實現(xiàn)加工中心誤差的實時補償，通過補償，加工中心的精度有大幅提高。此外，針對加工中心實際工作過程中產(chǎn)生的誤差，設(shè)計了加工中心實際加工零件過程中的誤差實時補償實驗，通過加工不同類型結(jié)構(gòu)的零件，進(jìn)行了實際工