立式加工中心主轴热误差预测及补偿

摘要

高速精密加工过程中，数控机床轴承、导轨、丝杠等摩擦产生的热量及环境温度的变化等引起机床零部件温度的变化，进而由于热胀冷缩现象导致机床零部件的热变形，使得热误差成为影响数控机床加工精度的主要因素之一。对数控机床进行热态特性分析，建立高精度的机床热误差补偿模型，可以达到减小加工误差，提高加工精度的目的。
　　由于机床主轴高速运转下产生大量的热量，因此机床的加工精度在很大程度上依赖于机床主轴的精度。对主轴热变形影响最大的因素是主轴前后轴承的摩擦热。当主轴旋转时，主轴前后轴承摩擦生热，产生的热量传递到主轴、刀柄等，导致主轴系统的热变形，从而影响机床的加工精度。
　　本文基于立式加工中心主轴系统的热态特性实验分析，分别建立了基于指数函数的机床主轴热误差补偿模型、基于时序分析的机床主轴热误差补偿模型及基于残差分析的机床主轴混合热误差补偿模型用于减少主轴热变形对主轴热变形量的影响。主要研究内容包括:
　　(1)设计了机床主轴系统热态特性分析实验，测量机床主轴热变形量、主轴轴端温度及机床环境温度。对实验数据进行分析，研究了机床主轴温度场及热变形量的变化规律。
　　(2)在对机床主轴进行热特性分析的基础上，建立了基于指数函数的机床主轴热误差补偿模型。通过验证实验证明该模型在主轴恒速运转和变速运转两种工况下均具有较高的精度，并且建模时间短、成本低，能够方便快速的应用到工厂生产环境中。但该模型为离线建模，需要进行多次建模，否则难以适应变化的加工条件要求和季节的交替变化，鲁棒性不足。
　　(3)应用时间序列分析法建立的基于时序分析的机床主轴热误差补偿模型。论述了如何应用热误差时间序列建立热误差补偿模型，并通过验证实验证明该模型在主轴恒速运转和变速运转两种工况下均具有较高的精度。与基于指数函数的热误差补偿模型相比，该模型为在线补偿模型，能够反映热误差周期性变化规律及随机性变化规律，且鲁棒性好。但该模型不能对机床主轴前期热误差进行补偿。
　　(4)充分利用基于指数函数的热误差补偿模型反映热误差趋势性的特点及基于时序分析的热误差补偿模型反映热误差随机性特点，建立基于残差分析的混合热误差补偿模型。通过实验证明该混合热误差补偿模型即能更准确的补偿机床主轴热误差，同时弥补了前两种热误差补偿模型的不足。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 课题背景和意义

1．2 机床热误差补偿技术的研究现状

1．2．1 热误差补偿技术理论

1．2．2 国外热误差补偿技术研究现状

1．2．3 国内热误差补偿技术研究现状

1．3 机床热误差补偿的主要建模方法

1．3．1 时序分析模型

1．3．2 多元线性回归分析

1．3．3 在线补偿模型

1．4 课题主要研究内容

1．5 论文总体框架

第2章 基于指数函数的机床主轴热误差补偿模型

2．1 机床主轴热态特性分析

2．2 基于指数函数的热误差补偿模型建模

2．3 热误差补偿过程

2．4 补偿结果分析及实验验证

2．4．1 主轴恒速空运转

2．4．2 主轴恒速切削

2．4．3 主轴变速空运转

2．4．4 主轴变速切削

2．5 本章小结

第3章 基于时序分析的机床主轴热误差补偿模型

3．1 自回归滑动平均模型及其建模步骤

3．2 恒速工况下ARMA热误差补偿模型建模

3．2．1 数据预处理

3．2．2 模型定阶及参数估计

3．3 变速工况下ARMA热误差补偿模型建模

3．4 补偿结果分析及实验验证

3．4．1 主轴恒速空运转

3．4．2 主轴恒速切削

3．4．3 主轴变速空运转

3．4．4 主轴变速切削

3．5 本章小结

第4章 基于残差分析的机床主轴混合热误差补偿模型

4．1 恒速工况混合热误差补偿模型建模

4．2 变速工况混合热误差补偿模型建模

4．3 补偿结果分析及实验验证

4．3．1 主轴恒速空运转

4．3．2 主轴恒速切削

4．3．3 主轴变速空运转

4．3．4 主轴变速切削

4．4 本章小结

第5章 结论与展望

5．1 结论

5．2 研究展望

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文及参与项目

致谢