多轴精密数控机床误差测量、综合建模及补偿技术的研究

发布时间：2017-12-06 16:11

  本文关键词：多轴精密数控机床误差测量、综合建模及补偿技术的研究

  更多相关文章： 多体系统 神经网络 支持向量机 灰色系统理论 误差模型 误差补偿

【摘要】：研制高档数控机床,特别是多轴精密、超精密数控机床,是提高国际竞争力的关键技术,也是衡量一个国家制造业水平的重要标志。20世纪90年代以来,随着航天航空、国防、舰船、微电子、通讯、汽车制造等产业技术的迅猛发展,对高精密复杂结构零件、零件的表面完整性及制造精度等提出了越来越高的要求,从而使得研制高效率、高质量、高精度和高智能化的数控机床也愈来愈迫切。中国第十三个五年规划纲要明确提出我国五年内计划实施的100个重大工程及项目,它们涉及科技、装备制造、交通、环保和能源等领域,其中第28项就是研制高档数控机床。由此可见研制高档数控机床这即是国家战略意图的重要体现,也必将对中国经济、社会和民生等各方面产生深远影响。目前提高机床精度的主要方法有两种。一种是“硬技术”误差防止法,它虽能减少机床误差,但经济上代价昂贵。另一种是“软技术”误差补偿法,它用很小的代价便可获得“硬技术”难以达到的加工精度。时至今日,这种方法虽然已经在许多精密制造设备、精密机床和精密仪器上进行了大量实验与研究,但还远未达到商业化程度。本课题以提高数控机床的定位精度、加工精度和效率为目的,以自主研制的两台多轴精密数控机床为研究对象,对数控机床的几何误差、热误差和力误差进行了测量、分析和研究,对整机、主要部件的精度及其相互之间的关系进行了研究,对几何误差、热误差、力误差进行综合建模和误差补偿实验。主要内容与成果如下:(1)基于多体系统理论,运用齐次变换矩阵对相邻典型体间的理想运动及其运动特征进行了数学描述;对相邻典型体间的几何误差、热误差、力误差等误差元进行运动学分析与研究;对实际运动中相邻典型体间的误差进行运动学描述、分析与研究,构建了机床误差综合模型,该模型可对机床各项误差元进行综合考虑与分析,并能对它们之间的耦合关系进行分析与解耦。梳理了误差建模步骤及建模方法的意义。(2)以自主研制的五轴精密数控机床为研究对象,借助激光干涉仪等仪器对大量误差数据进行系统的测量与分析,验证了机床的不同进给速度对移动轴的移动误差、转角误差及不同测量间距对其线性位移误差皆没有较大的影响。发现线性位移误差是影响综合误差最主要的因素,转角、直线度误差对其影响较小;对机床误差元素进行分类与分析,可知几何、热误差和力误差元素共计有126项,简化合并为42项,基于多体系统理论建立机床几何、热误差和力误差元素运动学综合误差模型,并对综合误差模型的正确性进行了验证;构建机床几何误差运动学综合误差模型,重点分析和研究了五轴精密数控机床各个移动轴和旋转轴的几何误差变化规律,得出了两轴联动情况下其综合误差在X、Y、Z轴轴向上的移动、转角误差分量的变化规律。(3)以自主研制的四轴精密数控实验台为研究对象,对整机、主要部件的精度及其相互之间的关系进行了研究;对精密数控实验台各移动轴和旋转轴的几何误差进行测量与分析,得到了定位、直线度和角度误差曲线,发现定位误差是机床几何综合误差的主要影响因素;建立了四轴精密数控实验台几何误差综合误差模型,通过系统的研究、论证与分析,发现了四轴精密数控实验台在两轴联动、各误差元耦合情况下其几何综合误差在X、Y、Z轴轴上的6个移动、转角分量误差的变化规律,通过进一步分析发现综合误差在移动轴轴向上的分量曲线变化趋势与其定位误差基本一致,只是数值有微小差别,这又充分证明了定位误差是机床几何综合误差的决定性影响因素,同时发现转角、直线误差对于几何综合误差的影响极小,但在超精密加工中则是不可忽略的因素。在加工精度要求不高的情况下,通过优化算法选择最佳的工作空间,只需进行定位误差补偿,就可以达到加工精度,该方法具有操作简便、快捷高效等特点。(4)重点分析了四轴精密实验台从冷态到热稳态过程中关键测量点温度与定位误差之间的变化规律,研究发现实验台移动轴的定位误差随着平台温度的升高而不断增大直至实验台达到热稳态时其定位误差在微小范围内波动,由此可得出四轴精密实验台移动轴的定位误差与温度变化之间的相互关系及其变化规律;基于灰色理论选取与机床热误差关联度最大的温度测点作为热误差建模变量,采用正交多项式和牛顿插值算法对精密实验台移动轴的几何与热误差进行综合建模,该综合模型具有预测精度高,鲁棒性强,计算简便,易于程序设计,效率高等优点;利用四轴精密实验台的补偿模块进行补偿实验,验证了该模型的正确性和有效性。(5)在模拟加工状态下对五轴数控机床的定位误差进行测量与特性分析,通过分析大量的试验数据,发现机床不同的主轴转速、进给速度、轴向研抛深度对移动轴的定位误差没有显著影响;对BP、RBF神经网络和支持向量回归机三种建模方法进行了综合对比分析,采用三种建模方法分别建立了五轴数控机床、四轴数控实验台的热误差模型,从中发现SVR性能最优,偏差带最窄,分散程度最小,偏离中心值的趋势最缓;依据SVR模型的预测数据分别对五轴数控机床、四轴数控实验台进行了补偿实验,补偿实验结果证明支持向量回归机建模方法的预测能力、补偿效果和鲁棒性明显优于RBF、BP神经网络方法。
【学位授予单位】：吉林大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：TG659

【相似文献】

中国期刊全文数据库 前10条

1 刘有奇,王廷琪;机床的安全保护——机床改造中不可忽视的重要内容[J];现代制造;2003年25期

2 杨椿年;机床涂色原理[J];组合机床;1983年04期

3 徐宗俊,刘飞;机床节能方面的一些研究和设计问题[J];机床;1985年08期

4 张文梁;小议复合型人才——介绍《机床加工技能》录像片[J];职业技能培训教学;1999年11期

5 谭天;基于网络的机床诊断、临测和维护[J];世界制造技术与装备市场;2003年01期

6 潘秋红;;浅谈机床加工技能训练教学中学生积极性的提高[J];科技信息(科学教研);2008年18期

7 ;机床加工作业环境与安全[J];工业安全与环保;2012年02期

8 陈家元;;机床的振动及防治措施[J];装备制造技术;2012年09期

9 储开滚;;浅议机床振动的原因及控制技术[J];河南科技;2013年07期

10 赵长龄;机床安装经验介绍[J];机床与工具;1955年10期

中国重要会议论文全文数据库 前10条

1 秦钰龙;陈骏;;浅谈机床系列化造型设计方法[A];2013国际工业设计研讨会暨第十八届全国工业设计学术年会论文集[C];2013年

2 ;机床用高效节能驱动系统[A];电子信息节能技术与产品推广应用专集[C];2009年

3 高国琴;罗燕;刘辛军;江道根;;虚拟轴机床并联机构的无抖振滑模控制[A];第二十九届中国控制会议论文集[C];2010年

4 ;“千厂千会”工作加速了企业发展[A];陕西省机械工程学会电加工分会第七届学术年会论文集[C];2000年

5 王永明;李力;;CNC机床加工信息指示输入方式[A];面向制造业的自动化与信息化技术创新设计的基础技术——2001年中国机械工程学会年会暨第九届全国特种加工学术年会论文集[C];2001年

6 李初晔;张媛;王卫朝;杨洁;石敏;;CINCINNATI V5-3000机床的故障特征分析与研究[A];第十二届全国设备故障诊断学术会议论文集[C];2010年

7 杨新胜;钟树平;;高速精工电源和机床的研究[A];机械 材料 特种加工技术交流会论文集[C];2002年

8 秦忠;;绿色设计在多工位机床上的应用[A];2011装备制造业绿色创造 节能减排发展论坛论文集[C];2011年

9 秦忠;;绿色设计在多工位机床上的应用[A];战略性新兴产业的培育和发展——首届云南省科协学术年会论文集[C];2011年

10 任宝钢;范世平;罗和平;;基于Vericut的五轴双转台机床仿真技术[A];第八届沈阳科学学术年会论文集[C];2011年

中国重要报纸全文数据库 前10条

1 郭炳华 阎秀真;家家机床响 户户笑开颜[N];河北科技报;2006年

2 张颖;挖掘再制造潜力 焕发机床第二次生命[N];中国冶金报;2010年

3 本报记者 李佳师;桂林机床：制造+服务决胜市场[N];中国电子报;2012年

4 刘晓辰;秦川机床集团着力打造国际高端品牌[N];经济日报;2007年

5 余桂才;桂林机床投亿元巨资搞技改[N];中国工业报;2005年

6 本报记者 杨红英;国产高档机床市场化之路艰难曲折[N];中国工业报;2013年

7 本报记者 杨红英;汉江机床：销售旺季更应严把质量关[N];中国工业报;2010年

8 赵文辉;衡冶 节能降耗取得新成果[N];中国冶金报;2003年

9 本报记者 孙宏程;中高档机床挺进宁波市场[N];机电商报;2005年

10 本报记者 齐雪岭;精诚机床：用个性化扮靓品牌[N];中国工业报;2008年

中国博士学位论文全文数据库 前5条

1 苏浩;超精密飞切机床热行为与热结构优化分析[D];哈尔滨工业大学;2015年

2 孙椰望;船用多功能数控机床动态性能研究[D];北京理工大学;2015年

3 张恩忠;多轴精密数控机床误差测量、综合建模及补偿技术的研究[D];吉林大学;2017年

4 马丽梅;网络联盟环境下可重构机床优化配置理论与方法研究[D];北京交通大学;2013年

5 商鹏;基于球杆仪的高速五轴数控机床综合误差建模与检测方法[D];天津大学;2008年

中国硕士学位论文全文数据库 前10条

1 张浩;面向可重构机床设计的多层映射技术及应用研究[D];浙江大学;2015年

2 王耀辉;基于“S”形试件的机床刚度特性检验方法研究[D];电子科技大学;2015年

3 王伟;大型空腔零件内端面精密数控铣床的设计及研究[D];重庆理工大学;2015年

4 杨磊;基于LMS.Test.Lab的DK7735机床动态特性分析及优化[D];西华大学;2015年

5 杨沂运;S公司铸件车间机床换模方案改进研究[D];河北工业大学;2015年

6 储召锐;淬火机床信息采集及处理系统[D];合肥工业大学;2015年

7 黄静;机床能耗基础数据建模及获取方法研究[D];重庆大学;2015年

8 胡林明;数控机床多能耗部件的可配置在线能耗监测系统研究[D];重庆大学;2015年

9 吴治国;多工位笔头加工机床的关键部件的研究与设计[D];东华大学;2016年

10 王帅;面向工业4.0的机床管理系统的研究与开发[D];中国科学院研究生院(沈阳计算技术研究所);2016年

，

本文编号：1259172