數(shù)控機床熱誤差模態(tài)分析、測點布置及建模研究.pdf

1、本文首先對國內(nèi)外數(shù)控機床熱誤差補償技術(shù)的研究現(xiàn)狀作了概述與分析，在此基礎(chǔ)上，對熱誤差補償研究的主要問題也是難點如機床模態(tài)理論分析與機床熱誤差的聯(lián)系、熱關(guān)鍵點的優(yōu)化選擇、熱誤差建模技術(shù)進行了深入的分析研究，并通過仿真及實驗應用證實本文研究成果可顯著有效地改善機床的加工精度，主要研究內(nèi)容簡述如下： 機床模態(tài)分析對研究機床熱誤差形成機理具有重有指導意義，本文以數(shù)控車削加工中心為研究對象，通過對比的方法對加工中心的兩種模態(tài)(熱模態(tài)和振動

2、模態(tài))進行了系統(tǒng)的理論分析解釋，闡明了兩種模態(tài)的實際物理意義，分析了它們的相似性及區(qū)別，分析振動模態(tài)的目的一是通過其與熱模態(tài)的比較分析使熱模態(tài)機理更清晰；二是將振動模態(tài)的疊加理論用來求解機床瞬態(tài)熱變形。模態(tài)分析結(jié)果表明，振動模態(tài)特征頻率及模態(tài)形狀受外加位移約束影響，而熱特征值及熱模態(tài)分布則不受外加位移約束影響；振動特征頻率遠大于熱特征值，即熱模態(tài)的時間常數(shù)通常很大；振動模態(tài)求解時，通常不考慮外加載荷的影響，而熱模態(tài)求解時必須引入對流換熱

3、項；振動模態(tài)形狀為矢量形式模態(tài)，而熱模態(tài)則屬標量形式模態(tài)。 從模態(tài)求解方程的分析可看到，模態(tài)只是系統(tǒng)在某一特征頻率下求得的特征向量，表征了系統(tǒng)各部位相對運動幅值的大小，而且這個向量的負向量依然是該頻率下的模態(tài)。因此模態(tài)反映的只是系統(tǒng)的固有屬性，而不是從表面看到的系統(tǒng)的瞬態(tài)真實響應，瞬態(tài)響應還受外部條件的很多制約，但瞬態(tài)響應可由模態(tài)疊加的方式求得。 根據(jù)模態(tài)疊加理論，給出了熱源功率及主軸旋轉(zhuǎn)時表面對流換熱系數(shù)的計算方法，并

4、以數(shù)控車削加工中心為例，計算了主軸及主軸箱瞬態(tài)熱響應和熱變形。分析了機床熱誤差與刀具位置的關(guān)系，給出了相應極限誤差的求法。分析了主軸頭部在開始的一小段時間內(nèi)徑向熱變形為負值的原因。 利用定義的熱誤差敏感度，根據(jù)熱關(guān)鍵點問熱誤差敏感度差的絕對值和最大的原則，在侯選點較少的情況下，提出了一個簡潔的算法來選擇機床的熱關(guān)鍵點(溫度測點)，并在主軸上進行了驗證。 對于侯選點和關(guān)鍵點較多時的大規(guī)模優(yōu)化問題，提出了小波壓縮與遺傳算法混

5、合優(yōu)化方法。分別對熱關(guān)鍵點數(shù)量為10個、6個和2個的情況進行了試驗，結(jié)果表明，當關(guān)鍵點數(shù)量較多時，優(yōu)化效果不十分明顯，因為這時的熱誤差模型都是很精確的；當關(guān)鍵點較少時，優(yōu)化效果很明顯。分析也表明徑向熱誤差與軸向熱誤差的熱關(guān)鍵點通常是不一樣的，有時需要分別進行布置各自的溫度傳感器。 研究比較了幾種常用熱誤差建模方法的性能特點。通過對比可看出：遺傳算法建立的熱誤差模型也是與傳感器的數(shù)量密切相關(guān)的，數(shù)量越多，精度越高，但對于同樣數(shù)量的

6、溫度傳感器，所建立的熱誤差模型不如多變量回歸分析所建立的模型的精度高；而且遺傳算法所建立的模型的精度具有一定的隨機性。 建模實例也表明，熱關(guān)鍵點數(shù)量的多少對神經(jīng)網(wǎng)絡模型的精度影響較小，這是由于隱層神經(jīng)元較多，因而網(wǎng)絡權(quán)系數(shù)規(guī)模較大而增強了熱誤差模型的精度。當熱關(guān)鍵點數(shù)量很多時，多變量回歸建模的精度要好于神經(jīng)網(wǎng)絡模型，而當熱關(guān)鍵點數(shù)量較少時，多變量回歸建模的精度則差于神經(jīng)網(wǎng)絡模型。 在綜合比較幾種常用建模方法的性能基礎(chǔ)上，

7、提出了分段修正系數(shù)建模法，通過建模實例可看到，分段修正系數(shù)法所建模型具有如下優(yōu)點： a)在樣本數(shù)據(jù)點處模型計算熱誤差能夠精確匹配實際熱誤差； b)在非樣本數(shù)據(jù)點處,模型插值能力很強，計算熱誤差與實際熱誤差曲線擬合的很好； c)使用的傳感器數(shù)量少，分段建模相當于用軟件技術(shù)彌補了傳感器數(shù)量的不足。 最后，用我們自己研制的熱誤差實時補償器，在數(shù)控車床上實施了實時補償，以論證本文研究方法及其結(jié)論，實驗與應用結(jié)果表