数控机床误差综合补偿技术及应用

本文在充分了解和深入分析国内外数控机床误差补偿技术研究、应用现状的基础上,通过有关理论和技术的分析、研究,用新的方法将机床误差补偿技术从实验室发展到工厂的实际生产使用中,并在多台同类(多于100台)数控机床的应用中获得圆满成功。本文分为八章。 第一章综合论述数控机床误差补偿在工业生产应用中的重要意义;国内外数控机床误差补偿技术研究、应用的历史和现状;介绍了本论文的主要内容。 第二章使用标准齐次坐标变换方法结合刀具与工件之间联结链的封闭特性给出了多轴加工中心几何和热误差的综合数学模型建立的一般方法并分别建立了一台车削中心和一台数控双主轴车床的误差运动综合数学模型。在数学模型中,不但包含了机床的几何误差元素,而且包含机床的热误差元素。 第三章研究且创立了两种适合于多台同类机床热误差补偿的热误差鲁棒建模新理论及新方法:综合最小二乘建模法和正交试验设计法。现有建模方法由于完全依赖建模数据,故获得的热误差数学模型不能长期正确有效地估计机床热误差,且随着季节的变换会使补偿效果越来越差;另一方面,现有建模方法在类型相同的各机床上获得的热误差模型差异很大,不能互用。创立的两种新方法将统计理论结合工程判断,从而使建立的热误差数学模型不但鲁棒性强(能长期有效地使用),而且通用性强(一个数学模型可在许多台类型相同的机床上有效地使用)。另外,这两种新方法还具有辨识时间短等特点。 第四章研究温度传感器在机床上的优化布置理论。对于主轴一维的温度传感器优化布点。通过热动态过程的理论分析、研究及仿真运算得出:(1)仅用一个温度传感器的读数值就可表达主轴热伸长量;(2)在主轴上至少有一处温度读数值与主轴热伸长具有线性关系;(3)当温度传感器安装在距主轴端部热源约x=L/3时,可以用此传感器读数值的线性函数预报出主轴的热伸长量。对于机床上多维的温度传感器优化布置,提出了六个布置策略。 第五章介绍了所研制的且为实际生产应用的热误差实时补偿的方法、步骤及系统,它用于车削中心上。首先以一台为研究对象,进行了热源和热模态分析,以了解影响机床加工精度的主要热源及获得机床上的关键温度点;然后,进行热误差辨识和建模,给出热误差补偿系统。这台车削中心在实际生产使用中获得了很好的补偿结果后,又对多台同类车削中心的热误差实时补偿进行了研究。基于第三章研究的适合于多台同类机床热误差补偿的两种鲁棒建模新方法的补偿系统首创用于生产厂100多台同类型并规格基本相同的车削中心,全部仅用两个热误差数学模型,获得了成功。从而取得了很好的经济效益和社会效益。 第六章介绍了另一台在生产实际中应用的数控双主轴车床几何、热误差综合实时补偿技术。它的难点是不但要补偿机床热误差而且还要补偿机床几何误差。另外,由于该机床有两根主轴而且互相影响加工精度、使得误差元素的辨识、建模和补偿既复杂又困难。在获得了误差运动综合数学模型后,通过适当选取测量坐标、变换原点,简化了综合数学模型。根据几何误差的位置特性和热误差的温度或时间特性,在误差的混合信号中,分离了几何误差和热误差。在不同误差元素的建模中,根据不同性质和特点的误差元素(与位置有关;与温度有关;与位置和温度都有关)采用不同的建模方法。最终通过补偿表明,机床精度大大提高。 第七章概括本研究工作和所得主要结论并对今后数控机床误差补偿工作作了展望。