加工中心誤差建模與動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)補(bǔ)償試驗(yàn)和應(yīng)用研究.pdf

1、本文在國家科技重大專項(xiàng)“高檔數(shù)控機(jī)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(diǎn)專項(xiàng)科研基金”等項(xiàng)目資助和支持下，針對(duì)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(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)補(bǔ)償與應(yīng)用研究，并在實(shí)際加工中進(jìn)行驗(yàn)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(jī)床加工精度的各項(xiàng)誤差元素（重

2、點(diǎn)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(shí)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(cè)與建模提供理論依據(jù)。
　?、翘岢隽思庸ぶ行倪M(jìn)給軸幾何與熱誤差復(fù)合誤差建模新

3、方法。在對(duì)加工中心進(jìn)行誤差檢測(cè)分析的基礎(chǔ)上，以誤差分離技術(shù)為出發(fā)點(diǎn)，通過傅立葉級(jí)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(shí)時(shí)補(bǔ)償系統(tǒng)與加工中心數(shù)控系統(tǒng)實(shí)時(shí)通訊，實(shí)現(xiàn)誤差實(shí)時(shí)補(bǔ)償。該方法能有效并經(jīng)濟(jì)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(jì)算出所需補(bǔ)償數(shù)值，而應(yīng)用牛頓差值方法的優(yōu)點(diǎn)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(xiàng)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(bǔ)償實(shí)施的效率。
　?、商岢隽艘环N基于綜合判定時(shí)間序列主軸熱漂移誤差建模新方法以及一種時(shí)間序列-神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)熱誤差混合預(yù)測(cè)模型（Time Series-Neural Network,TS-NN）。針對(duì)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(diǎn)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(shí)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(cè)精度及魯棒性方面，與以往建模方法對(duì)比有顯著提升。此外，基于時(shí)間序列與神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)理論，提出了時(shí)間序列-神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)熱誤差混合預(yù)測(cè)模型，應(yīng)用權(quán)重模型并有機(jī)結(jié)合兩種建模方法的優(yōu)勢(shì)，使誤差擬合效果進(jìn)一步提升。
　?、试O(shè)計(jì)開發(fā)了數(shù)控加工中心多軸、多誤差動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)補(bǔ)償系統(tǒng)。該系統(tǒng)基于加工中心外部坐標(biāo)偏移，下位機(jī)以單片機(jī)為開發(fā)平臺(tái)，

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(shí)時(shí)交互，通過外部坐標(biāo)偏移功能實(shí)現(xiàn)機(jī)床誤差實(shí)時(shí)補(bǔ)償，并設(shè)計(jì)開發(fā)了以LABVIEW為平臺(tái)的上位機(jī)軟件，該軟件可實(shí)現(xiàn)測(cè)量數(shù)據(jù)的自動(dòng)讀取以及幾何誤差與熱誤差的自動(dòng)建模，補(bǔ)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(bǔ)償系統(tǒng)功能性實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證補(bǔ)償系統(tǒng)的誤差動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)補(bǔ)償能力。
　?、诉M(jìn)行了數(shù)控加工中

7、心誤差動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)補(bǔ)償?shù)脑囼?yàn)和應(yīng)用研究。針對(duì)誤差實(shí)時(shí)補(bǔ)償系統(tǒng)，設(shè)計(jì)了VM850數(shù)控加工中心在空載條件下的溫升前后誤差補(bǔ)償實(shí)驗(yàn)，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(cè)量實(shí)驗(yàn)前后的對(duì)比結(jié)果。誤差實(shí)時(shí)補(bǔ)償系統(tǒng)通過加工中心外部坐標(biāo)偏移功能實(shí)現(xiàn)加工中心誤差的實(shí)時(shí)補(bǔ)償，通過補(bǔ)償，加工中心的精度有大幅提高。此外，針對(duì)加工中心實(shí)際工作過程中產(chǎn)生的誤差，設(shè)計(jì)了加工中心實(shí)際加工零件過程中的誤差實(shí)時(shí)補(bǔ)償實(shí)驗(yàn)，通過加工不同類型結(jié)構(gòu)的零件，進(jìn)行了實(shí)際工