[發明專利]半閉環控制數控機床滾珠絲杠進給系統定位誤差建模方法

有效

• 申請號: 201410592025.5
• 申請日: 2014-10-28
• 公開（公告）號: CN104483900B
• 公開（公告）日: 2018-04-17
• 發明（設計）人: 張俊;趙萬華;李博
• 申請（專利權）人: 西安交通大學
• 主分類號: G05B19/404
• 分類號: G05B19/404
• 代理公司: 西安通大專利代理有限責任公司61200
• 代理人: 陸萬壽

技術領域

本發明涉及一種熱誤差建模方法，具體涉及半閉環控制方式下數控機床滾珠絲杠進給系統定位誤差建模方法。

背景技術

滾珠絲杠副是大多數數控機床進給系統的核心部件，環境溫度的變化以及該部件工作時軸承和螺母等零件之間的摩擦都會引起絲杠溫度的改變，產生熱誤差，最終影響進給系統的定位精度。因此，滾珠絲杠進給系統的熱誤差研究已經成為提高機床定位精度的一個重要研究方向。

目前，國內外的相關研究主要集中在兩個方面：第一，簡化滾珠絲杠進給系統的結構特征，以傳熱學理論為基礎近似計算進給系統的熱邊界條件，建立滾珠絲杠進給系統熱誤差的有限元模型；第二，利用神經網絡、灰色理論、最小二乘法等方法對實測的大量熱誤差數據進行處理，建立滾珠絲杠進給系統熱誤差的經驗模型。然而，滾珠絲杠進給系統由于安裝支承方式的不同，從而影響絲杠熱伸長的形式與大小。

發明內容

本發明的目的在于提供一種半閉環控制數控機床滾珠絲杠進給系統定位誤差建模方法。

為達到上述目的，本發明采用了以下技術方案：

步驟一：建立理論模型

將由絲杠熱伸長導致的滾珠絲杠進給系統的位置偏差(激光干涉儀所測進給軸定位誤差的原始數據)分解為原始幾何誤差與熱誤差，并通過多元線性回歸理論建立滾珠絲杠進給系統定位誤差預測模型；

步驟二：辨識模型參數

令滾珠絲杠進給系統以某恒定進給速度從初態空運行至熱平衡態，檢測所述空運行過程中多個時刻滾珠絲杠進給系統的位置偏差，并記錄所述空運行過程中滾珠絲杠進給系統的各溫度監測點的溫度，然后通過多元線性回歸分析識別滾珠絲杠進給系統定位誤差預測模型中的參數。

當滾珠絲杠采用固定-自由或固定-支承安裝方式時，通過一次線性擬合得到如式(1)所示的滾珠絲杠進給系統定位誤差預測模型：

其中：E(X,T)表示進給系統的位置偏差，E(X,T)與螺母位置X和溫度監測點的溫度T都相關；E₂(X)是原始幾何誤差，E₂(X)只與螺母位置X相關；E₁(X,T)是熱誤差，E₁(X,T)與螺母位置X和溫度監測點的溫度T都相關；表示位置偏差的測量起始位置X₀在T溫度時的熱誤差；tanβ(T)表示T溫度時的熱補償系數，即擬合直線的斜率。

當滾珠絲杠采用固定-固定安裝方式時，通過二次曲線擬合得到如式(2)所示的滾珠絲杠進給系統定位誤差預測模型：

E(X,T)＝E₁(X,T)+E₂(X)＝c_X(T)+b_X(T)(X-X₀)+a_X(T)(X-X₀)²+E₂(X)(2)

其中：E(X,T)表示進給系統的位置偏差，E(X,T)與螺母位置X和溫度監測點的溫度T都相關；E₂(X)是原始幾何誤差，E₂(X)只與螺母位置X相關；E₁(X,T)是熱誤差，E₁(X,T)與螺母位置X和溫度監測點的溫度T都相關；a_X(T)、b_X(T)以及c_X(T)分別表示熱誤差部分二次擬合曲線的系數，a_X(T)、b_X(T)以及c_X(T)與溫度監測點的溫度T相關，X₀是位置偏差的測量起始位置。

所述溫度監測點為滾珠絲杠進給系統的主要發熱源，包括前端軸承、后端軸承以及絲杠螺母座。

本發明的有益效果體現在：

本發明主要針對半閉環控制方式下的數控機床，分別考慮絲杠不同的安裝支承方式(絲杠常見的三種安裝支承方式)，將由絲杠熱伸長導致的進給系統的位置偏差分解為原始幾何誤差和熱誤差，基于此提出了一種滾珠絲杠進給系統的定位誤差預測方法，基于此方法可以實現較準確地預測滾珠絲杠進給系統的定位誤差，也可以作為定位誤差實時補償的理論模型。

附圖說明

圖1為滾珠絲杠安裝支承方式，其中：(a)固定-自由；(b)固定-支承；(c)固定-固定；1為工作臺，2為絲杠，3為螺母，4為軸承，5為軸向約束，6為徑向約束；