基于多学科设计优化理论的数控机床综合误差补偿的并行算法

摘要

大量研究结果证明高精度机床的各种误差源中，热变形误差以及几何误差占据着绝大部分，且热变形误差(约占总误差的45％)[1]已成为高精密数控机床的最大误差源，这说明对于数控机床误差补偿仅仅停留在几何误差补偿阶段是远远不够的，还应将热误差考虑进去，对数控机床实行综合误差补偿。几何误差和热误差虽然可以在设计和制造中通过机床本身结构的改进来降低。但是在很多情况下，由于受到种种条件的限制，不能仅通过生产和设计技术来降低机床误差。综上所述综合误差补偿技术作为一种提高机床加工精度的有效和经济的手段得到了广泛的重视。而本文正是以此为契机，对数控机床综合误差补偿的理论和算法进行了系统研究。 首先，利用多学科设计优化理论(MDO)系统分析数控机床这个复杂系统，根据数控机床综合误差补偿这一研究方向将数控机床分为综合误差系统、几何误差子系统、热误差子系统，载荷误差子系统和伺服优化子系统共5个部分。并用分析了MDO中多学科设计优化方法，确定采用多学科协同优化法(CO)作为数控机床综合误差补偿的优化模型。 然后基于多体系统运动学理论，对数控机床机床进行了综合误差补偿建模，并以三坐标数控机床ZK7640为研究对象，描述了其拓扑结构，相邻体变换矩阵，最后建立了ZK7640的综合误差模型，推导出了考虑综合误差和独立考虑几何误差和热误差时ZK7640数控机床刀具轨迹的计算方程，并对ZK7640数控机床的几何误差和热误差的测量与计算方法做了分析，得出了两者计算值之间的耦合关系。 其次，介绍和分析了遗传学算法的特点，提出了数控机床遗传算法指令搜索，并设定了遗传算法的各个初始条件，实现了遗传算法的精密指令搜索功能。 最后，利用vc++6.0为开发平台，针对实验室的ZK7640三坐标数控机床编写了基于多学科设计优化的数控机床综合误差补偿软件，该软件可以根据用户原始的G代码指令，求解满足用户要求精度的精确G代码指令，并对理想，实际和精确刀具路线进行仿真，来对比综合误差补偿效果。

目录

文摘

英文文摘

声明

第1章绪论

1.1 课题的提出和意义

1.1.1数控机床综合误差补偿

1.1.2多学科设计优化

1.1.3课题的意义

1.2国内外的研究现状及分析

1.2.1多学科设计优化的研究现状

1.2.2软件误差补偿技术研究现状

1.3研究方案的提出

1.4本文主要研究内容

第2章基于多学科设计优化的数控机床综合误差补偿系统模型

2.1多学科优化设计理论

2.1.1多学科优化设计定义和性质

2.1.2多学科优化设计的研究内容和优化方法

2.2基于MDO的数控机床综合误差补偿系统模型的建立

2.2.1数控机床综合误差补偿系统建模与系统分解

2.2.2基于协同优化算法的数控机床综合误差补偿系统模型的建立

2.3本章小结

第3章基于多体系统理论的数控机床综合误差建模

3.1 多体系统的基本描述方法

3.1.1多体系统拓扑结构的描述

3.1.2多体系统中相邻体及其齐次变换矩阵

3.2理想情况下典型体上任意点在惯性坐标系中的位置表达

3.3考虑误差情况下典型体上任意点在惯性坐标系中的位置表达

3.3.1多体系统误差变换矩阵的推导：

3.3.2考虑误差时典型体上任意点在惯性坐标系中的位置表达：

3.4数控机床综合误差分析

3.4.1 数控机床综合误差的定义

3.4.2数控机床综合误差的补偿理论

3.5基于多体理论的数控机床综合误差补偿模型

3.5.1数控机床结构描述

3.5.2数控机床通用综合误差补偿模型的建立

3.6 ZK7640三坐标数控机床综合误差建模

3.6.1 ZK7640的总体结构

3.6.2 ZK7640的低序体阵列和拓扑结构

3.6.3 ZK7640的多体系统模型及其坐标系设置

3.6.4 ZK7640的相邻体变换矩阵

3.6.5 ZK7640的综合误差分析

3.6.6 ZK7640的几何误差分析

3.6.7 ZK7640的热误差分析

3.6.8 ZK7640的几何误差和热误差耦合关系

3.7本章小结

第4章遗传算法指令搜索

4.1遗传算法

4.1.1遗传算法概述

4.1.2遗传算法的特点

4.1.3遗传算法的基本原理与方法

4.2数控机床精密指令搜索遗传算法的实现

4.2.1 数控机床遗传算法指令搜索控制参数的选择

4.2.2数控机床遗传算法指令搜索的遗传编码

4.2.3数控机床遗传算法指令搜索遗传操作的选择

4.3本章小结

第5章数控机床综合误差补偿软件介绍及仿真实验

5.1软件介绍

5.2仿真实验

5.2.1工件1的仿真实验

5.2.2工件2的仿真实验

5.3本章小结

结论

参考文献

攻读硕士学位期间发表的学术论文

致谢