精密数控机床全工作台空间热误差补偿技术研究

摘要

高档数控机床作为国家的重要战略资源，一直是一个国家装备制造业不可或缺的工具，也是综合国力强弱的标志。影响精密数控机床精度的因素很多，其中热误差所占比重达到40～70％，因此如何有效减小热误差对高精密数控机床加工精度的影响至关重要。调研国内外科研工作者的研究现状，发现大多按照国际标准《机床检验通则第3部分:热效应测定》(ISO230-3:2007)的规定，由机床主轴与工作台特定单点位置的热变形来表征数控机床的热特性，并根据数控机床上安置的温度传感器的测量值与工作台固定位置点的热误差进行建模补偿。
　　本文针对数控机床工作台存在的平面度误差以及机床各部件不均衡温升产生的空间热误差对零件加工精度的影响，提出了一种机床全空间热误差补偿的解决方法。并通过对Leaderway V-450型数控机床进行实验研究，大幅提升了其加工精度。论文主要研究内容如下:
　　1)设计开发一套测量系统，该系统基于在线检测系统，通过数控机床空转实验，可完成对全工作台空间热误差和温度信息的采集，实验后分析所测数据，验证工作台固定单点热误差建模补偿方案的缺陷。
　　2)提出了全工作台空间热误差建模的补偿方案，在建模的过程中，采用模糊聚类对温度变量进行分类，结合灰色关联度分析筛选温度敏感点，并首先建立15个测点的多元线性回归模型，进而根据补偿时的温度值建立每个温度时刻的最小二乘曲面热误差模型。
　　3)改进传统热误差补偿方案，将全工作台空间热误差补偿模型的建模方法及过程嵌入到补偿器中，结合温度敏感点的温度值和机床（x，y）的实时坐标值计算出该位置点的补偿值，并采用数控系统的原点偏移功能实现对机床全工作台空间Z轴轴向向误差进行在线补偿。
　　4)通过验证实验，对全工作台空间热误差建模补偿方法与传统工作台固定单点的误差补偿方法的补偿效果进行了比对。结果显示，空间补偿模型对整个工作台热误差补偿效果均优于单点热误差补偿模型，补偿后标准差提升了45％;单次最大补偿后误差精度提升50％。

目录

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致谢

摘要

第一章 绪论

1．1 课题研究背景

1．2 课题研究意义

1．3 热误差产生的原因以及降低方法

1．4 误差补偿关键技术研究现状

1．4．1 国内研究现状

1．4．2 国外研究概况

1．5 论文主要工作

第二章 机床全工作台热变形测量方案

2．1．1 机床工作台平面度测量方案

2．1．2 机床热误差测量方案

2．1．3 机床全工作台热变形整体测量方案

2．2 全工作台热变形测量系统

2．2．1 温度采集模块

2．2．2 坐标采集模块

2．2．3 数据采集软件

2．3 全工作台空间热变形测量实验

2．4 本章小结

第三章 全工作台热变形补偿模型的建立

3．1 全工作台热变形特征分析

3．1．1 MATLAB软件以及函数介绍

3．1．2 三次样条插值

3．1．3 数控机床工作台热变形以及温度分析

3．2 温度敏感点选择

3．2．1 温度测量位置布局

3．2．2 温度敏感点的选择理论

3．2．3 模糊聚类算法

3．2．4 灰色关联度分析

3．3 热误差多元线性回归建模

3．3．1 基于多元线性回归的最小二乘

3．3．2 各点位置的热误差多元线性回归建模

3．4 热变形曲面补偿模型集的建立

3．4．1 最小二乘曲面建模理论

3．4．2 各个温度时刻空间热变形补偿模型集的建立

3．5 本章小结

第四章 全工作台热变形补偿的实施及精度分析

4．1 数控机床误差补偿原理

4．2 全工作台热变形补偿实施

4．3 精度分析

4．3．1 全工作台空间热误差模型集预测精度分析

4．3．2 传统工作台固定单点热误差预测精度分析

4．3．3 预测精度对比分析

4．4 实验验证

4．5 本章小结

第五章 总结与展望

5．1 总结

5．2 展望

参考文献

攻读硕士学位期间的学术活动及成果情况