五轴数控机床几何与热误差实时补偿关键技术及其试验研究

摘要

近年来，随着全球制造业水平的不断提高，五轴数控机床作为能够加工复杂型面的高端制造装备正不断拓展其应用领域，在此过程中，人们对于五轴数控机床在实际生产中的加工精度的要求也不断提升。在“国家科技重大专项”(2009ZX04014-22、2011ZX04015-31）、“国家自然科学基金”和“高等学校博士学科点基金”等项目资助和支持下，本文以沈阳机床生产的一台双转台高速五轴加工中心为主要研究对象，进行了五轴数控机床几何与热误差（包括平动轴空间体积误差、旋转轴转角误差以及各类热误差）高精度检测、鲁棒建模和实时补偿研究，并针对机床搭载的海德汉iTNC530五轴数控系统开发了基于多线程并行单片机构架的外置误差实时补偿系统，进而分别对机床空切削过程以及典型五轴零件加工过程实施了一系列误差在线预测与实时补偿试验，试验结果验证了本文所阐述的误差建模与补偿关键技术可切实降低五轴数控机床的运动误差、提高零件的加工精度。
　　本文的主要研究内容涵盖了五轴数控机床几何与热误差综合实时补偿过程中涉及的关键技术与试验验证过程，可分为四大部分。
　　第一部分：双转台五轴数控机床误差元素分析与误差综合数学模型。
　　基于机床的特定结构，针对其在加工过程中可能产生的各项误差元素进行了分析与分类，按照误差元素的决定因素归纳了机床所有几何及热误差元素。应用齐次坐标变换方法，在机床各部件上建立局部坐标系的基础上，通过对比理想状态与实际状态下机床运动链坐标系的变换矩阵，建立了机床误差综合数学模型，将机床刀具与工件间的运动误差表示为各误差元素的函数。通过针对综合误差模型中所涉及误差元素进行二次分析，对所建综合误差模型进行了简化，得到的简化模型可更方便地运用于后续误差建模及补偿步骤中，为后续的误差建模和补偿工作提供了理论前提。
　　第二部分：五轴数控机床全温度范围（冷态至热平衡状态）多误差精确检测方法。
　　（1）针对五轴数控机床全温度范围内平动轴运动误差（也称空间体积误差），提出一种基于改进分步体对角线测量的误差检测方法。通过分析传统分步体对角线测量方法的测量原理及测量精度，针对测量过程中对测量精度影响最大的两大因素——安装误差（Setup Errors）因素以及温度状态不匹配（Thermal Conditions Mismatch）因素分别阐述了改进方法：提出基于工作空间面对角线测量（ Face-diagonal Measurement）的安装误差辨识新技术，从而去除安装误差的影响；提出基于机床重复温升过程概念的全温度范围优化测量步骤，在减少激光干涉仪安装次数的前提下去除温度状态不匹配因素对测量结果的影响。通过与常规的误差逐项测量方法进行对比，验证了改进分步体对角线测量方法可大幅提高体积误差的检测精度，所测得的误差数据为后续建模过程提供可靠的数据基础。
　　（2）利用激光与精密多面镜套件、高精度正弦波旋转编码器对五轴机床两个旋转轴的最主要误差元素——转角定位误差进行了检测。针对机床旋转运动范围及转角误差数值范围较大的机床 C轴，采用激光与精密多面镜套件对其转角定位误差进行检测；针对旋转运动范围较小，转角误差数值变化不明显的机床 A轴，采用旋转编码器进行转角误差检测。所测得的旋转轴转角定位误差数据为旋转轴误差元素建模提供了数据基础。
　　（3）针对机床主轴热漂移误差，应用制造精度很高的标准芯棒代替机床刀具，利用专用夹具多工位同时装夹非接触激光位移传感器，结合多通道信号采集系统，同步高效采集主轴不同运动方向的热漂移误差数据及对应温度数据，为主轴热漂移误差建模提供数据基础。
　　第三部分：五轴数控机床全温度范围多误差优化建模。
　　通过分析各误差元素的产生原因与变化机理，将误差元素分为不同的类型，针对不同类型的误差元素应用不同的建模方法。
　　（1）针对既与机床运动轴实际坐标位置有关也与机床温度状态有关的动态几何与热复合误差，应用基于误差分离技术的建模思想，将复合误差按影响因素分解成不同的误差组成部分，而后分别对各误差组成部分进行建模，最后叠加生成可在任意坐标位置、任意温度状态下准确预测误差值的整体误差预测模型，通过将误差预测值与误差实际测量值进行对比，验证了所建模型的预测精度。
　　（2）针对只与机床部件温度状态相关的单因素热误差元素，提出一种基于贝叶斯推断（Bayesian Inference, BI）的最小二乘支持向量机（Least Square Support Vector Machine, LS-SVM）算法的建模方法，在对所建模型进行训练时，正规化参数、核函数参数的选择过程运用贝叶斯推断方法，使所选参数满足最大后验概率分布。与其它热误差模型的预测效果进行比较后，验证了基于贝叶斯推断的 LS-SVM模型预测精度完全满足预测需求，尤其是主轴加工状态变化时仍具有较高鲁棒性。
　　（3）针对只与机床坐标位置有关的静态误差，采用简单的多项式拟合方法进行建模。
　　第四部分：五轴数控机床全温度范围多误差实时补偿方法及实时补偿试验。
　　（1）基于自主研发外置误差实时补偿系统的补偿实现方法。针对机床搭载的海德汉 iTNC530五轴数控系统，充分挖掘系统内部集成的轴偏置误差补偿功能，自主开发了一套基于多线程并行单片机构架的外置误差实时补偿系统。该系统独立于机床数控系统之外，结合建立的误差元素综合模型，可实现机床多误差在线预测与实时补偿功能。而且所实施的补偿过程不会对CNC中的加工坐标造成影响，同时也不会使CNC执行的工件加工程序发生改变。
　　（2）五轴数控机床空切削状态下多误差实时补偿试验。基于外置误差实时补偿系统以及所建立的各误差元素预测模型，在机床空切削状态下进行了多误差实时补偿试验，通过分析补偿前后误差元素的变化验证其补偿效果。
　　（3）五轴数控机床误差综合补偿切削试验。基于建立的误差综合数学模型，并结合各误差测量值及所建误差元素模型对误差综合数学模型进行迭代与简化。运用简化后的误差综合模型在机床切削典型五轴零件（标准球、叶轮）的加工过程中，对机床刀具与工件之间的位置、姿态误差进行了综合补偿试验，通过分析对比补偿前后零件的敏感尺寸，验证本课题所提误差建模与综合补偿方法对五轴数控机床加工精度的改善效果。所有实验结果由上海市计量测试技术研究院（华东国家计量测试中心）以及机械工业机床产品质量检测中心（上海）检测并认定。

目录

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第一章 绪论

1.1课题背景

1.2 课题研究的意义

1.3数控机床误差补偿技术的技术背景

1.4误差补偿技术的研究历程与现状

1.5目前存在的问题

1.6 本文主要研究内容

第二章 五轴数控机床误差元素分析与误差综合数学模型

2.1 引言

2.2 机床结构与技术参数

2.3 VMC0656mu机床误差元素分析

2.4 VMC0656mu机床误差综合数学模型

2.5 本章小结

第三章 五轴数控机床误差元素精确检测

3.1引言

3.2全温度范围平动轴体积误差精确检测

3.3旋转轴转角定位误差检测

3.4 主轴热误差高效检测

3.5 本章小结

第四章 五轴数控机床误差元素建模

4.1 引言

4.2 几何与热复合误差元素建模方法

4.3单因素热误差元素建模方法

4.4 静态几何误差建模方法

4.5 本章小结

第五章 五轴数控机床误差实时补偿实现方法

5.1 引言

5.2基于海德汉iTNC530数控系统的误差补偿原理

5.3数控机床外置误差实时补偿系统

5.4 五轴数控机床误差实时补偿实现流程

5.5本章小结

第六章 五轴数控机床误差实时补偿试验研究

6.1 引言

6.2 VMC0656mu机床空切削状态下误差实时补偿试验

6.3 VMC0656mu机床切削加工补偿试验

6.4 本章小结

第七章 总结与展望

7.1 主要结论

7.2 主要创新点

7.3 思考与展望

参考文献

攻读博士学位期间发表和录用论文、发明专利及参与科研项目

致谢