基于RTX的数控机床主轴热误差实时补偿技术

摘要

机床主轴热误差是影响数控加工几何精度的关键因素，其实时补偿已成为高档数控机床的必备功能之一。主轴热误差建模的简洁性与鲁棒性、预测方法的可靠性、补偿控制的开放性与实时性仍是当前备受关注的难点问题。本文依托“高档数控机床与基础制造装备”科技重大专项课题“数控机床精度保持性技术研究”，重点开展主轴温度场的温度测点优化、热误差数学建模、系统实时性测试、反馈脉冲插入式补偿等关键技术的研究工作，在此基础上研究液氮超低温冷却加工条件下数控机床主轴温度场的强冷源干扰热误差补偿技术。
　　为解决数控机床加工过程中主轴温度场变化的时滞、时变性以及温度变量间的强耦合导致关键温度变量难以准确判定的问题，提出一种质心聚类分析、灰色关联分析及多重共线性分析相结合的温度测点优化方法。运用欧氏距离的质心聚类分析，进行温度变量分组。基于温度变量的灰色关联序，断定同组温度变量的热敏点。通过多重共线性分析，确立分组方案的正确解。依据温度场信息最大化原则，判定分组方案的最优解，以确定关键温度变量及其最佳数目。
　　为提高热误差预测数学模型的鲁棒性与可靠性，提出多维度空间温度场的最近邻点热误差建模方法。基于温度变量与热误差的实测数据，构建多维空间点阵。运用主成分分析，降低数学模型温度变量的维度，消除主轴温度场的重叠信息。根据最近邻点逼近原则，建立温度变量与热误差非线性关系数学模型。
　　针对热误差补偿模块实时时钟的准确度难以预测与控制问题，研究RTX(Real TimeExtension)定时时钟的计算容载量。以CPU时钟周期作为基本的标准测量信号，利用RDTSC(Read TimeStamp Counter)精细计算RTX定时器时钟周期的实际CPU时钟周期，精准测试RTX定时器时钟的准确性与稳定性，同时验证RTX运行环境的实时性。
　　为解决补偿脉冲与反馈脉冲易干涉问题，研究基于RTX的数控机床反馈脉冲截断式误差补偿方法。通过轮询办法将等效热误差补偿脉冲以反馈脉冲的形式插入到原始反馈脉冲序列中，数控系统透明地接收此修正的反馈脉冲，实施位置补偿，其中Windows操作系统承载数学模型计算的非实时功能模块，嵌入式RTX操作系统承载实时补偿功能模块，共享内存作为操作系统间的数据交换媒介。
　　针对液氮冷却加工冷源干扰强度大问题，提出一种冷热温度场叠加的热误差建模方法。利用液氮喷嘴温升值反映液氮的喷射流速，刀具附近温升值反映冷温度场的工作温度，以两者为输入节点，运用RBF神经网络预测关键温度测点温升值，基于最小二乘支持向量机预测冷温度场热误差，利用常温工况的高转速热误差曲线预测中转速热误差规律，实现冷、热耦合温度场的热误差叠加。
　　综合运用主轴热误差补偿控制技术，以KHC63卧式加工中心和KVC850M立式加工中心为实验平台，在常温定转速、常温变转速、液氮超低温冷却加工工况条件下，验证主轴热误差补偿控制的整体功能。实验结果表明，基于RTX的主轴热误差补偿方法补偿效果良好，提高了机床的工作性能，具有较高的推广应用价值。

目录

声明

摘要

图目录

表目录

主要符号表

1 绪论

1．1 背景及意义

1．1．1 课题背景

1．1．2 课题意义

1．2 国内外研究现状

1．2．1 温度场温度测点优化方法

1．2．2 热误差数学建模方法

1．2．3 热误差补偿方法

1．3 论文主要研究内容

2 基于多重共线性分析的温度测点优化

2．1 数控机床主轴温度场温度变量

2．1．1 关键温度变量的识别

2．1．2 机床主轴温升值与热误差的测量

2．2 基于质心聚类分析的温度变量分组

2．3 聚类分组与灰色关联相结合的热敏点提取

2．3．1 灰色理论提取热敏点

2．3．2 聚类分组中的灰色关联分析

2．3．3 同组温度变量灰色关联计算

2．4 基于多重共线性分析的关键温度变量及其最佳数目的判定

2．4．1 多重共线性分析

2．4．2 最佳温度变量及其数目计算

2．5 本章小结

3 多维度空间最近邻点热误差数学建模

3．1 基于多元线性回归参考点的热误差建模

3．1．1 多元线性回归热误差建模

3．1．2 多元线性回归建模计算

3．1．3 参考点最近邻点数学建模

3．1．4 参考点最近邻点建模计算

3．2 基于主成分分析的温度变量降维

3．2．1 主成分分析

3．2．2 温度变量的主成分计算

3．3 基于多维空间温度场的最近邻点热误差建模

3．3．1 综合温度变量与关键温度变量建模比较

3．3．2 综合温度变量的多维空间温度场最近邻点建模

3．4 本章小结

4 RTX环境下的位置反馈脉冲增减处理方法

4．1 RTX实时运行环境

4．1．1 实时运行环境的集成

4．1．2 RTX高精定时器以及共享内存

4．2 基于RDTSC的RTX时钟周期的检测

4．3 RTX时钟周期的误差分析

4．3．1 RTX时钟周期工作载荷测量

4．3．2 RTX时钟周期的计算容载量

4．4 基于RTX的位置反馈脉冲热误差补偿

4．4．1 RTX环境热误差实时补偿

4．4．2 反馈脉冲增减

4．5 本章小结

5 常温加工的热误差补偿实验

5．1 常温定转速工况条件下实验验证

5．1．1 实验工况条件

5．1．2 主轴定转速实验测量数据

5．1．3 主轴定转速关键温度测点

5．1．4 主轴定转速工况热误差预测

5．1．5 主轴定转速补偿实验结果

5．2 常温变转速加工工况条件下实验验证

5．2．1 变转速工况实验环境

5．2．2 主轴变转速实验测量数据

5．2．3 主轴变转速关键温度测点计算

5．2．4 主轴变转速补偿实验结果

5．2．5 试切工件验证实验

5．3 本章小结

6 液氮超低温冷却加工的热误差补偿实验

6．1 冷热耦合温度场对主轴热误差的影响

6．2 液氮超低温冷却实验

6．3 液氮超低温冷却定转速加工工况实验

6．4 本章小结

7 结论与展望

7．1 结论

7．2 创新点

7．3 展望

参考文献

攻读博士学位期间科研项目及科研成果

致谢

作者简介