數(shù)控機(jī)床誤差測(cè)量、建模及網(wǎng)絡(luò)群控實(shí)時(shí)補(bǔ)償系統(tǒng)研究.pdf

1、誤差補(bǔ)償技術(shù)是提高數(shù)控機(jī)床加工精度的重要技術(shù)手段之一，與之密切相關(guān)的研究方向主要有:誤差的測(cè)量與辨識(shí)、誤差模型的建立以及誤差補(bǔ)償?shù)膶?shí)施方法。本課題在“國(guó)家科技重大專(zhuān)項(xiàng)”、“國(guó)家自然科學(xué)基金”和“全國(guó)高等學(xué)校博士學(xué)科點(diǎn)專(zhuān)項(xiàng)科研基金”等項(xiàng)目的資助和支持下，以沈陽(yáng)機(jī)床有限公司生產(chǎn)的雙轉(zhuǎn)臺(tái)式五軸加工中心和上海航天設(shè)備制造總廠使用的兩臺(tái)三軸立式加工中心為研究對(duì)象，進(jìn)行了機(jī)床誤差高效測(cè)量、精密建模和實(shí)時(shí)補(bǔ)償?shù)南嚓P(guān)研究，并研發(fā)了基于網(wǎng)絡(luò)群控的數(shù)控機(jī)床

2、誤差實(shí)時(shí)補(bǔ)償系統(tǒng)，可以對(duì)一臺(tái)或多臺(tái)機(jī)床同時(shí)進(jìn)行補(bǔ)償，從而改善機(jī)床在不同溫度條件下的運(yùn)動(dòng)精度。
　　 本文的主要研究?jī)?nèi)容有:
　　 (1)結(jié)合不同類(lèi)型五軸機(jī)床的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，建立了基于齊次坐標(biāo)變換方法的通用運(yùn)動(dòng)學(xué)模型。通過(guò)配置不同的模型參數(shù)，可以描述在不同結(jié)構(gòu)的機(jī)床中從刀具坐標(biāo)系到工件坐標(biāo)系的運(yùn)動(dòng)鏈傳遞關(guān)系。然后分析機(jī)床主要部件在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中可能引入的誤差元素，根據(jù)剛體運(yùn)動(dòng)理論和小角度誤差假設(shè)，將其代入到通用運(yùn)動(dòng)學(xué)模型中，從而得

3、到五軸機(jī)床通用綜合誤差模型。利用該模型可以計(jì)算出機(jī)床在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的空間誤差補(bǔ)償值。為了滿(mǎn)足誤差補(bǔ)償?shù)膶?shí)時(shí)性要求，可以對(duì)綜合誤差模型進(jìn)行簡(jiǎn)化處理，根據(jù)各項(xiàng)誤差元素的實(shí)際分布規(guī)律，提出了綜合誤差模型的簡(jiǎn)化策略，從而在滿(mǎn)足補(bǔ)償精度要求的前提下提高模型計(jì)算速度。
　　 (2)根據(jù)旋轉(zhuǎn)軸的運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)，提出了基于球桿儀的誤差測(cè)量和辨識(shí)方法。通過(guò)MATLAB誤差仿真試驗(yàn)，可以了解不同誤差元素對(duì)球桿儀測(cè)量軌跡造成的影響。在一臺(tái)五軸機(jī)床上實(shí)際進(jìn)行的

4、球桿儀測(cè)量試驗(yàn)結(jié)果表明:該方法可以高效、精確地對(duì)旋轉(zhuǎn)軸引入的其中五項(xiàng)誤差元素進(jìn)行辨識(shí)。通過(guò)對(duì)不同溫度條件下的誤差測(cè)量結(jié)果進(jìn)行分析，建立了基于自然指數(shù)的旋轉(zhuǎn)軸熱誤差模型，可用于熱誤差的預(yù)測(cè)和補(bǔ)償。
　　 (3)無(wú)論是傳統(tǒng)的三軸數(shù)控機(jī)床，還是引入了旋轉(zhuǎn)軸的多軸數(shù)控機(jī)床，平動(dòng)軸都是最重要的運(yùn)動(dòng)部件，平動(dòng)軸引入的各項(xiàng)誤差元素也是最重要的誤差來(lái)源。本文用激光干涉儀測(cè)量了在不同溫度條件下的平動(dòng)軸定位誤差和直線度誤差，測(cè)量結(jié)果表明:定位精度受

5、溫度變化影響明顯，而且環(huán)境溫度及絲杠螺母溫度對(duì)其影響最為顯著，因此可以建立基于自然指數(shù)的誤差預(yù)測(cè)模型，該模型不僅描述了機(jī)床熱誤差和溫度變量之間的非線性變化規(guī)律，而且和多元回歸分析模型相比具有溫度變量少、預(yù)測(cè)精度高的優(yōu)點(diǎn);而對(duì)于直線度誤差來(lái)說(shuō)，其數(shù)值相對(duì)較小，且基本不受溫度變化的影響，可以將其簡(jiǎn)化視為幾何誤差，并建立以機(jī)床坐標(biāo)為自變量的多項(xiàng)式誤差預(yù)測(cè)模型。
　　 (4)機(jī)床主軸在高速旋轉(zhuǎn)過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生大量熱量，所以由主軸熱變形而導(dǎo)致

6、的主軸熱誤差也是影響加工精度的重要因素。本文結(jié)合灰色理論和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)各自對(duì)數(shù)據(jù)處理的優(yōu)點(diǎn)，提出三種不同結(jié)構(gòu)的灰色神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)熱誤差預(yù)測(cè)模型，即:串聯(lián)型、并聯(lián)型和嵌入型灰色神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。在串聯(lián)型灰色神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中，首先使用灰色模型對(duì)機(jī)床關(guān)鍵測(cè)點(diǎn)的溫度數(shù)據(jù)和熱誤差數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，得到近似一階動(dòng)態(tài)微分模型，然后把多個(gè)不同灰色模型的預(yù)測(cè)結(jié)果輸入到BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行非線性擬合優(yōu)化，利用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)誤差反向傳播的學(xué)習(xí)方法對(duì)模型進(jìn)行訓(xùn)練，調(diào)節(jié)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的權(quán)值和閾值，從

7、而得到最終的預(yù)測(cè)模型;在并聯(lián)型灰色神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中，先由灰色模型和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)分別對(duì)主軸熱誤差進(jìn)行預(yù)測(cè)，然后采用一定的加權(quán)組合方式，按照目標(biāo)預(yù)測(cè)精度優(yōu)化模型的加權(quán)系數(shù)，從而得到最終的預(yù)測(cè)結(jié)果;而嵌入型灰色神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)則是借鑒了灰色理論對(duì)數(shù)據(jù)處理的思想，在神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)輸入層前增加灰化層，在輸出層后增加白化層，通過(guò)對(duì)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的改進(jìn)，達(dá)到弱化原始數(shù)據(jù)隨機(jī)性、提高預(yù)測(cè)模型魯棒性和容錯(cuò)能力的目標(biāo)。通過(guò)與傳統(tǒng)灰色模型和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比表明:上述三種結(jié)

8、構(gòu)的灰色神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型均提高了預(yù)測(cè)精度，且具有對(duì)原始數(shù)據(jù)要求低、計(jì)算簡(jiǎn)便、魯棒性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，可用于復(fù)雜工況下的機(jī)床主軸熱誤差實(shí)時(shí)預(yù)測(cè)和補(bǔ)償。
　　 (5)介紹了基于外部機(jī)械原點(diǎn)偏移功能的誤差補(bǔ)償實(shí)施基本原理，并結(jié)合生產(chǎn)線上多臺(tái)機(jī)床同時(shí)需要誤差補(bǔ)償?shù)男枨?，研發(fā)了基于網(wǎng)絡(luò)群控的機(jī)床誤差實(shí)時(shí)補(bǔ)償系統(tǒng)。從整體架構(gòu)上，可將該補(bǔ)償系統(tǒng)分為兩大部分:主控中心PC和各機(jī)床PMC(Programmable Machine Controller)控制單

9、元。前者的運(yùn)算能力強(qiáng)，存儲(chǔ)空間大，因此主要負(fù)責(zé)各機(jī)床空間誤差補(bǔ)償值的計(jì)算;后者和CNC(Computer Numerical Control)系統(tǒng)緊密相連，具有很高的數(shù)據(jù)交互實(shí)時(shí)性，因此主要負(fù)責(zé)查詢(xún)機(jī)床當(dāng)前坐標(biāo)位置和查表調(diào)用各進(jìn)給軸當(dāng)前所需補(bǔ)償值。網(wǎng)絡(luò)群控誤差補(bǔ)償系統(tǒng)的主從結(jié)構(gòu)充分利用了各自在運(yùn)算能力方面的特點(diǎn)，不僅適于進(jìn)行復(fù)雜的模型計(jì)算，而且滿(mǎn)足誤差補(bǔ)償?shù)膶?shí)時(shí)性要求。此外，主控中心PC和數(shù)控機(jī)床PMC之間通過(guò)以太網(wǎng)通訊協(xié)議及Fanuc

10、提供的FOCAS(Fanuc Open CNC API Specifications)動(dòng)態(tài)鏈接函數(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，具有硬件端口占用資源少、數(shù)據(jù)傳輸速度快、可靠性高、功能模塊連接簡(jiǎn)便和易于擴(kuò)展的特點(diǎn)。
　　 (6)結(jié)合本文提出的誤差測(cè)量方法、建模方法和基于網(wǎng)絡(luò)群控的機(jī)床誤差實(shí)時(shí)補(bǔ)償系統(tǒng)設(shè)計(jì)了兩類(lèi)試驗(yàn)。第一類(lèi)試驗(yàn)是對(duì)單臺(tái)五軸加工中心進(jìn)行誤差補(bǔ)償試驗(yàn)，首先用激光干涉儀、球桿儀等測(cè)量?jī)x器對(duì)機(jī)床平動(dòng)軸和旋轉(zhuǎn)軸引入的誤差元素進(jìn)行測(cè)量，并建立適

11、用于不同溫度條件的誤差元素模型，將其代入到綜合誤差模型中計(jì)算出在機(jī)床空間范圍內(nèi)施加給各進(jìn)給軸的誤差補(bǔ)償值，最后通過(guò)補(bǔ)償系統(tǒng)將補(bǔ)償值送給數(shù)控系統(tǒng)完成誤差補(bǔ)償步驟，試驗(yàn)結(jié)果表明，通過(guò)補(bǔ)償可以大幅提高該機(jī)床的空間運(yùn)動(dòng)精度;第二類(lèi)試驗(yàn)是同時(shí)對(duì)多臺(tái)（兩臺(tái)及以上）數(shù)控機(jī)床進(jìn)行補(bǔ)償試驗(yàn)，在得到各機(jī)床誤差模型的基礎(chǔ)上，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)群控實(shí)時(shí)補(bǔ)償系統(tǒng)和各機(jī)床間的數(shù)據(jù)交互，完成誤差補(bǔ)償步驟，試驗(yàn)結(jié)果表明，該系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)多臺(tái)機(jī)床進(jìn)行同時(shí)補(bǔ)償，批量提高群控網(wǎng)絡(luò)內(nèi)所