高速數(shù)控機(jī)床電主軸熱誤差機(jī)理分析與建模研究.pdf

1、熱誤差是影響高速數(shù)控機(jī)床加工精度的主要原因，而電主軸單元是數(shù)控機(jī)床的最大熱源，主軸熱變形直接影響整臺(tái)機(jī)床的性能。電主軸單元的熱誤差補(bǔ)償技術(shù)是當(dāng)前現(xiàn)代精密工程的研究熱點(diǎn)問題，尤其是電主軸熱誤差預(yù)測(cè)模型的精度和魯棒性是廣受關(guān)注的難點(diǎn)問題。結(jié)合臥式加工中心用電主軸動(dòng)態(tài)與熱態(tài)特性研究項(xiàng)目，本文對(duì)電主軸單元熱源及其傳熱機(jī)制的量化、關(guān)鍵測(cè)溫點(diǎn)的優(yōu)化選擇、不同工況下熱誤差建模方法進(jìn)行了深入的分析與研究，并通過數(shù)值仿真及實(shí)驗(yàn)研究證實(shí)本文研究成果可有效地

2、提高熱誤差模型預(yù)測(cè)精度，為改善電主軸加工精度提供堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。主要研究內(nèi)容包括：
　　 (1)進(jìn)行了電主軸單元溫度場(chǎng)的研究。通過詳細(xì)分析熱誤差形成機(jī)理可知，電主軸單元溫度場(chǎng)分布不均衡是導(dǎo)致形成熱誤差的主要原因。分析電主軸兩個(gè)內(nèi)熱源的發(fā)熱量發(fā)現(xiàn)其大小均與主軸轉(zhuǎn)速有密切關(guān)系，根據(jù)各自特點(diǎn)分別建立了熱源與速度的數(shù)學(xué)關(guān)系式。應(yīng)用傳熱學(xué)理論，建立了主軸單元的熱傳遞模型，并推導(dǎo)出主軸單元復(fù)雜熱邊界的熱傳遞方程。建立了基于熱一結(jié)構(gòu)耦合的電主軸有限

3、元分析模型，利用有限元法研究電主軸高速運(yùn)轉(zhuǎn)中溫度場(chǎng)的變化規(guī)律，并進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。
　　 (2)針對(duì)電主軸熱誤差建模技術(shù)中溫度布點(diǎn)選取的問題，提出了優(yōu)化熱關(guān)鍵點(diǎn)的新方法。根據(jù)測(cè)得的溫度和熱變形數(shù)據(jù)序列，借助于聚類分析的模糊聚類法將測(cè)溫點(diǎn)進(jìn)行分組，并且建立了灰色關(guān)聯(lián)分析模型，綜合分析和評(píng)價(jià)電主軸溫度場(chǎng)分布中的各測(cè)溫點(diǎn)與主軸熱變形的相關(guān)程度，從各組溫度測(cè)點(diǎn)中選出對(duì)熱變形變化最敏感的點(diǎn)，采用修正可決系數(shù)最終選出最佳測(cè)溫點(diǎn)組合。對(duì)溫度測(cè)點(diǎn)

4、的篩選，減小了選擇溫度變量和建模所需的時(shí)間，優(yōu)化了測(cè)溫時(shí)熱傳感器的布局。并提出根據(jù)不同實(shí)驗(yàn)條件和要求優(yōu)化選擇關(guān)鍵測(cè)溫點(diǎn)的策略。
　　 (3)提出了分別采用改進(jìn)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法和自回歸分析法進(jìn)行電主軸熱誤差建模的基本原理及方法，建立了遺傳算法優(yōu)化神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型和基于溫度的多元自回歸分析模型，并且研究了各建模方法的性能特點(diǎn)。根據(jù)兩種模型對(duì)電主軸熱變形產(chǎn)生機(jī)理的不同表述形式，比較二者的計(jì)算效率和擬合精度。通過對(duì)比可看出，二者的具體預(yù)測(cè)范圍不

5、同，對(duì)短期預(yù)測(cè)精度要求高的情況選用自回歸模型較好，而遺傳神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型更適合于對(duì)中長期預(yù)測(cè)要求高的情況。在綜合比較幾種常用建模方法的性能基礎(chǔ)上，結(jié)合灰色理論弱化數(shù)據(jù)序列波動(dòng)性的特點(diǎn)和自回歸分析理論反映隨機(jī)性成分的特點(diǎn)，并充分利用RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)特有的自適應(yīng)非線性信息處理能力，建立了基于RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的組合預(yù)測(cè)模型。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，基于RBF的電主軸熱誤差組合預(yù)測(cè)模型能夠有效地提高預(yù)測(cè)精度。
　　 (4)為了提高兩種不同工況下熱誤差模型