数控机床热误差检测与补偿技术

摘要

数控机床热误差是精密和超精密加工过程中的一项主要误差源,热误差补偿技术是减小热误差、提高机床精度的一种经济而有效的方法。本文设计开发了温度和热误差检测系统、温度测点优化与热误差建模软件系统以及热误差补偿器。
　　 检测系统硬件以温度传感器、位移传感器和PCI总线数据采集卡为核心,并开发了信号调理板以实现模拟信号的转换和滤波；系统软件基于LabVIEW图形化编程语言,采用局部循环缓存技术开发,能同时采集32个通道,由参数设置、试验条件、连续采集、数据存储和数据观测5个功能模块组成。
　　 针对传统分组优化方法应用于多方向温度测点优化造成测点过多的问题,提出了多方向温度测点优化理论,通过相关性分析获得单方向上的典型温度测点,基于各方向公共的温度测点进行组合分析获得多方向上的最优温度测点组合。对卧式加工中心MCH63采用基于最小二乘的多元线性回归和RBF神经网络两种方法建立其热误差模型,比较不同模型的预测能力,结果表明,RBF神经网络更适用于对复杂和多测点的机床进行热误差建模。在优化理论和建模方法研究的基础上,利用MATLAB的图形用户界面开发了优化和建模软件系统,缩短了测点优化和热误差建模的时间。
　　 热误差补偿器以DSP和A/D为核心,并利用光耦隔离原理开发了补偿器与数控系统接口电路。补偿器采集温度信号并根据导入的热误差模型计算出热误差补偿值,通过CNC参数设置和PMC程序将补偿值以二进制形式输入数控系统,利用机床的外部坐标系原点偏移功能将热误差补偿。
　　 将开发的检测系统、优化和建模分析系统及热误差补偿器应用于精密卧式加工中心MCH63,选择出用于热误差建模的温度测点,建立了热误差的多元回归线性模型,进行了热误差补偿试验,证明了补偿器能够进行热误差补偿,经补偿后机床热误差得到减小。

目录

文摘

英文文摘

图清单

表清单

第一章 绪论

1.1 课题背景和意义

1.2 热误差补偿技术的研究现状

1.2.1 温度与热误差检测技术

1.2.2 温度测点优化技术

1.2.3 热误差建模技术

1.2.4 热误差补偿技术

1.3 热误差补偿技术存在的问题

1.4 论文的主要内容

第二章 机床温度与热误差检测系统开发

2.1 对检测系统的要求和检测原理

2.2 检测系统硬件

2.3 检测系统软件

2.3.1 参数设置模块

2.3.2 试验条件模块

2.3.3 连续采集模块

2.3.4 数据存储模块

2.3.5 数据观测模块

第三章 多向温度测点优化与热误差建模

3.1 多向温度测点优化方法研究

3.1.1 单向温度测点优化

3.1.2 多向温度测点优化

3.2 热误差建模方法

3.2.1 统计回归建模法

3.2.2 RBF神经网络建模法

3.3 优化建模软件系统开发

3.3.1 总体结构设计

3.3.2 功能模块的开发

第四章 热误差补偿系统设计与开发

4.1 热误差补偿系统的补偿方式和补偿策略

4.1.1 热误差补偿系统的补偿方式

4.1.2 热误差补偿系统的实施策略

4.2 热误差补偿系统结构

4.3 补偿器的开发

4.3.1 微处理器的选型

4.3.2 补偿器硬件电路设计

4.3.3 补偿器的软件设计

4.4 PMC程序设计

4.4.1 外部机床坐标系原点偏移功能

4.4.2 扩展的外部机床坐标系原点偏移功能

第五章 热误差补偿试验

5.1 试验内容和试验对象

5.2 温度与热误差检测及分析

5.2.1 测点的布置

5.2.2 试验条件的设置

5.2.3 试验结果分析

5.3 温度测点优化选择

5.4 热误差建模

5.4.1 多元统计回归建模

5.4.2 RBF网络建模

5.5 热误差补偿

5.5.1 补偿器安装与验证

5.5.2 实施补偿及效果

第六章 总结与展望

6.1 本文主要工作

6.2 后续工作展望

参考文献

致谢

在学期间的研究成果及发表的学术论文