伺服系统中滚珠丝杠的热误差建模研究

摘要

滚珠丝杠使用效率高、寿命长，被广泛应用于数控机床、坐标测量机等精密设备的伺服系统中。由于轴承、丝杠螺母等部件在工作时摩擦生热，会引起丝杠温度的上升，从而导致滚珠丝杠受热变形，造成不可忽略的热误差。数控机床、加工中心中使用的丝杠长度较长，热误差显得尤为明显。在总结国内外热误差建模与补偿的相关技术的研究状况后，发现无论是经验建模还是理论建模，均存在一定的缺陷。为此，本文利用单轴半闭环伺服平台做了大量的实验，结合相关的理论分析，对滚珠丝杠温度场与热误差的建模做了一定程度的研究，建立了滚珠丝杠温度场模型，并使用两种方法预测了滚珠丝杠的热误差。本文完成的工作与主要内容如下。
　　 建立了完善的实验平台。利用滚珠丝杠为基础的传动机构和“IPC+运动控制卡”的开放式运动控制系统，搭建了半闭环控制方式的伺服平台；进而利用PT100热敏电阻、温度变送器、N16251采集卡和Labview建立了温度采集系统；并介绍了使用安捷伦的HP5518A双频激光干涉仪和HP55280A线性组件测量滚珠丝杠热误差的方法。
　　 建立了伺服系统中滚珠丝杠的温度场模型，基于该模型预测滚珠丝杠热误差。在前人已有研究的基础上，根据滚珠丝杠的导热方程，结合实际情况合理修改边值条件后，建立了一种可快速、准确预测滚珠丝杠在单热源作用下温度分布的模型，提出了模型参数的辨识方法；进而分析了多热源同时作用下滚珠丝杠的温度分布，利用热源对丝杠作用效果的叠加性，得到了伺服系统中滚珠丝杠的温度分布模型；再根据温度场模型，结合机械热变形理论预测滚珠丝杠的热误差。
　　 使用BP神经网络建模的方法预测滚珠丝杠的热误差。首先确定了BP神经网络的结构与训练方法；然后结合实际情况，对滚珠丝杠的热误差进行建模。
　　 设计了相应的实验。利用实验结果验证了两种热误差预测方法的可行性，并从多个角度比较了这两种方法。此外，还对所建立温度场模型进行了实验验证。