数控机床热误差建模新方法及补偿研究

摘要

随着现代机床制造技术的提高，零件加工误差中由机床几何误差和运动误差所引入的比重越来越低，而由机床内外温度变化造成的热误差成为影响加工精度的主要因素，通过热误差补偿来提高机床的加工精度是目前一项重要的技术手段。本研究结合国家科技重大专项“高档数控机床与基础制造装备”和国家自然科学基金项目，针对机床热误差建模补偿中的几个关键问题：机床热误差建模补偿中的测温点的选取、多模型融合的热误差建模、机床部件及整机的热变形特性和热误差补偿的实现等几个关键问题进行了研究。
　　本文的主要研究内容如下：
　　（1）测温点选取问题的研究。在机床热误差建模中，首先需要解决的问题是确定热误差模型的输入变量，也即如何确定和所建模型相适应的最优输入温度点。本文提出了基于温度-热误差滞回特性曲线将测温点分为两类，通过主成分分析（PCA）从分类中提取最优温度测点的方法。选取最优测温点为建立鲁棒性强的热误差模型奠定了基础。
　　（2）多模型融合的热误差建模方法研究。由于热变形是一具有非线性时变的过程，一般模型很难准确跟踪实时热变形，这导致热误差模型预测精度不高。为了改善热误差模型的鲁棒性和预测精度，提出了多模型融合的建模方法。该方法把多个单一模型按照一定的规则融合，得到一个性能更优的综合模型并给出了多模型融合算法。在研究中通过动态热误差模型和有限元热误差模型的融合，提高了模型的预测精度，特别是有限元模型的温度输入来自于红外成像仪的测量结果，克服了传统有限元方法计算温度场时边界条件不易确定的难题。
　　（3）机床热变形特性问题研究。为了深入理解机床热变形的过程，对铣床工作台在丝杠螺母摩擦热源作用下的热变形过程进行了分析，并针对这种变形提出了相应的热误差建模方法。此外，外部环境温度也会使机床结构发生变形，因此在热误差建模时很多模型都把环境温度作为模型的输入变量，但是对环境温度变化对机床热误差产生怎样的影响并没有深入分析研究。在本研究中针对机床在环境温度下的热变化过程，提出了建立热误差传递函数的分析方法，根据此方法可以方便地对机床在时变温度环境下热误差时域特性和频域特性进行分析，为了解机床在时变温度环境的热误差特性提供了一种有力的分析工具。
　　（4）机床热误差补偿实现的问题。虽然有些高档系统具有热误差补偿功能，但是由于补偿方法固定，无法满足用户不同使用要求。由于常见数控系统的封闭特性，用户自己开发的特定热误差模型无法嵌入到数控系统内部实现机床热误差补偿。在研究中通过分析西门子840D热误差补偿模块的特点，通过对用户补偿模型的分段直线逼近，并充分利用数控系统热误差补偿模块的功能，实现了用户模型的嵌入，为用户使用西门子840D系统进行不同形式的热误差补偿提供可能。

目录

封面

声明

中文摘要

英文摘要

目录

1 绪论

1.1 课题研究背景

1.2 课题研究意义

1.3 机床热误差建模相关研究内容及国内外研究现状

1.4 论文主要研究内容

2 线性最优测温点构造方法的研究

2.1 引言

2.2 线性测温点的存在性分析

2.3 线性虚拟温度构造理论分析

2.4 最优测温点构造方法在机床上应用实验

2.5 本章小结

3 基于多模型融合的热误差建模方法研究

3.1 引言

3.2 多模型融合算法原理

3.3 IR-FEM建模原理

3.4 多模型融合方法在机床热误差建模中的应用

3.5 本章小结

4 机床工作台热变形特性分析及热误差建模方法

4.1 引言

4.2 工作台Z向热变形实验

4.3 工作台Z向热误差建模

4.4 热误差建模及结果分析

4.5 本章小结

5 机床在时变环境温度下的热特性分析方法

5.1 引言

5.2 物体在周期性温度作用下的热响应

5.3 物体热膨胀受环境温度影响分析方法

5.4 热误差传递函数方法有效性验证

5.5 利用热误差传递函数分析机床热误差特性

5.6 热误差传递函数在机床热误差建模中应用

5.7 本章小结

6 基于西门子数控系统的热误差补偿功能实现与补偿实验

6.1 引言

6.2 西门子840D系统热误差补偿功能模块介绍

6.3 热误差模型嵌入西门子840D基本原理

6.4热误差补偿功能实验

6.5 本章小结

7 全文总结与展望

7.1 全文总结

7.2 研究展望

参考文献

攻读博士学位期间发表论文及参与科研情况

致谢

附录