數(shù)控機床熱誤差建模新方法及補償研究.pdf

1、隨著現(xiàn)代機床制造技術(shù)的提高，零件加工誤差中由機床幾何誤差和運動誤差所引入的比重越來越低，而由機床內(nèi)外溫度變化造成的熱誤差成為影響加工精度的主要因素，通過熱誤差補償來提高機床的加工精度是目前一項重要的技術(shù)手段。本研究結(jié)合國家科技重大專項“高檔數(shù)控機床與基礎(chǔ)制造裝備”和國家自然科學(xué)基金項目，針對機床熱誤差建模補償中的幾個關(guān)鍵問題：機床熱誤差建模補償中的測溫點的選取、多模型融合的熱誤差建模、機床部件及整機的熱變形特性和熱誤差補償?shù)膶崿F(xiàn)等幾個關(guān)

2、鍵問題進行了研究。
　　本文的主要研究內(nèi)容如下：
　　（1）測溫點選取問題的研究。在機床熱誤差建模中，首先需要解決的問題是確定熱誤差模型的輸入變量，也即如何確定和所建模型相適應(yīng)的最優(yōu)輸入溫度點。本文提出了基于溫度-熱誤差滯回特性曲線將測溫點分為兩類，通過主成分分析（PCA）從分類中提取最優(yōu)溫度測點的方法。選取最優(yōu)測溫點為建立魯棒性強的熱誤差模型奠定了基礎(chǔ)。
　?。?）多模型融合的熱誤差建模方法研究。由于熱變形是一具有非

3、線性時變的過程，一般模型很難準(zhǔn)確跟蹤實時熱變形，這導(dǎo)致熱誤差模型預(yù)測精度不高。為了改善熱誤差模型的魯棒性和預(yù)測精度，提出了多模型融合的建模方法。該方法把多個單一模型按照一定的規(guī)則融合，得到一個性能更優(yōu)的綜合模型并給出了多模型融合算法。在研究中通過動態(tài)熱誤差模型和有限元熱誤差模型的融合，提高了模型的預(yù)測精度，特別是有限元模型的溫度輸入來自于紅外成像儀的測量結(jié)果，克服了傳統(tǒng)有限元方法計算溫度場時邊界條件不易確定的難題。
　?。?）機床

4、熱變形特性問題研究。為了深入理解機床熱變形的過程，對銑床工作臺在絲杠螺母摩擦熱源作用下的熱變形過程進行了分析，并針對這種變形提出了相應(yīng)的熱誤差建模方法。此外，外部環(huán)境溫度也會使機床結(jié)構(gòu)發(fā)生變形，因此在熱誤差建模時很多模型都把環(huán)境溫度作為模型的輸入變量，但是對環(huán)境溫度變化對機床熱誤差產(chǎn)生怎樣的影響并沒有深入分析研究。在本研究中針對機床在環(huán)境溫度下的熱變化過程，提出了建立熱誤差傳遞函數(shù)的分析方法，根據(jù)此方法可以方便地對機床在時變溫度環(huán)境下熱

5、誤差時域特性和頻域特性進行分析，為了解機床在時變溫度環(huán)境的熱誤差特性提供了一種有力的分析工具。
　?。?）機床熱誤差補償實現(xiàn)的問題。雖然有些高檔系統(tǒng)具有熱誤差補償功能，但是由于補償方法固定，無法滿足用戶不同使用要求。由于常見數(shù)控系統(tǒng)的封閉特性，用戶自己開發(fā)的特定熱誤差模型無法嵌入到數(shù)控系統(tǒng)內(nèi)部實現(xiàn)機床熱誤差補償。在研究中通過分析西門子840D熱誤差補償模塊的特點，通過對用戶補償模型的分段直線逼近，并充分利用數(shù)控系統(tǒng)熱誤差補償模塊的