[發(fā)明專利]半閉環(huán)進(jìn)給軸的熱膨脹誤差建模及補(bǔ)償方法

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201710310577.6
• 申請(qǐng)日: 2017-05-05
• 公開（公告）號(hào): CN107065771B
• 公開（公告）日: 2019-02-01
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 劉闊;李特;劉海波;王永青;賈振元;郭東明
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 大連理工大學(xué)
• 主分類號(hào): G05B19/404
• 分類號(hào): G05B19/404
• 代理公司: 大連理工大學(xué)專利中心 21200
• 代理人: 溫福雪;侯明遠(yuǎn)

一種半閉環(huán)進(jìn)給軸在多時(shí)變動(dòng)態(tài)熱源激勵(lì)下的熱膨脹誤差建模及補(bǔ)償方法，屬于數(shù)控機(jī)床誤差補(bǔ)償領(lǐng)域。基于對(duì)多時(shí)變動(dòng)態(tài)熱源激勵(lì)下絲杠的摩擦生熱、熱傳導(dǎo)和熱對(duì)流機(jī)理的分析，根據(jù)溫度場(chǎng)的疊加原理，分別建立絲杠在螺母副時(shí)變動(dòng)態(tài)熱源激勵(lì)下的溫度場(chǎng)預(yù)測(cè)模型和軸承座時(shí)變固定熱源激勵(lì)下的溫度場(chǎng)預(yù)測(cè)模型。通過對(duì)任意時(shí)刻的離散化絲杠溫度場(chǎng)的積分，得到絲杠實(shí)時(shí)熱膨脹誤差的預(yù)測(cè)值。將絲杠熱膨脹誤差的預(yù)測(cè)值實(shí)時(shí)寫入數(shù)控系統(tǒng)中，實(shí)現(xiàn)對(duì)進(jìn)給軸熱態(tài)誤差的補(bǔ)償。由于該模型記錄了進(jìn)給軸離散化溫度場(chǎng)的動(dòng)態(tài)變化過程，即使進(jìn)給軸的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)發(fā)生變化，仍然可以得到很好的補(bǔ)償效果。該方法最大優(yōu)點(diǎn)是預(yù)測(cè)精度高，對(duì)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)變化具有很強(qiáng)的魯棒性。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于數(shù)控機(jī)床誤差補(bǔ)償技術(shù)領(lǐng)域，具體為一種半閉環(huán)進(jìn)給軸在多時(shí)變動(dòng)態(tài)熱源激勵(lì)下的熱膨脹誤差建模及補(bǔ)償方法。

背景技術(shù)

機(jī)床的熱誤差是困擾機(jī)床行業(yè)幾十年的難題。由于機(jī)床熱誤差的存在，導(dǎo)致的問題在于：?jiǎn)渭募庸ぞ纫撞缓细瘢慌考庸ち慵囊恢滦圆睿瑥U品率高；為了減少熱誤差，機(jī)床開機(jī)后需要熱機(jī)，能耗損失大；若工件的加工精度要求高，還需要高成本打造恒溫車間。這些問題說明熱誤差對(duì)機(jī)床造成了眾多不良影響。

目前減小機(jī)床熱誤差的方法主要有兩種：誤差防止法和誤差補(bǔ)償法。誤差防止法是通過設(shè)計(jì)和制造方式消除或減少機(jī)床的熱源，但是有一定缺點(diǎn)。比如，絲杠/螺母冷卻方式的成本較高。而且，冷卻系統(tǒng)的啟動(dòng)是間歇的，間接導(dǎo)致了誤差波動(dòng)。另外，冷卻也大大增加了能源消耗。熱對(duì)稱結(jié)構(gòu)是一種比較好的減小熱誤差的方法。但是只有很少的進(jìn)給軸可以設(shè)計(jì)成熱對(duì)稱結(jié)構(gòu)，如龍門機(jī)床的Y軸。由于功能實(shí)現(xiàn)的原因，大部分車床和銑床的進(jìn)給軸都不能設(shè)計(jì)成熱對(duì)稱結(jié)構(gòu)，這也就限制了熱對(duì)稱結(jié)構(gòu)的應(yīng)用。熱誤差補(bǔ)償技術(shù)的原理是實(shí)時(shí)、智能地給出一個(gè)與原有熱誤差相反的誤差以消除熱誤差。熱誤差補(bǔ)償技術(shù)作為一種提高數(shù)控機(jī)床精度穩(wěn)定性的方法有很多優(yōu)點(diǎn)，如相對(duì)低的成本、應(yīng)用范圍廣等。

數(shù)控機(jī)床的熱誤差主要包括進(jìn)給軸熱誤差和主軸熱誤差兩部分。進(jìn)給軸的熱誤差很大，對(duì)其進(jìn)行熱誤差建模及補(bǔ)償也是非常困難的。實(shí)際上，進(jìn)給軸的熱誤差分為兩部分：行程范圍內(nèi)的熱膨脹誤差和原點(diǎn)的熱漂移誤差。根據(jù)理論分析，進(jìn)給軸行程范圍內(nèi)的熱膨脹誤差主要是由于環(huán)境溫度變化和機(jī)床運(yùn)動(dòng)生熱而產(chǎn)生的。原點(diǎn)的熱漂移誤差主要是由于原點(diǎn)側(cè)的軸承座發(fā)熱、行程范圍內(nèi)的絲杠熱傳導(dǎo)、環(huán)境溫度變化引起的。原點(diǎn)的熱漂移誤差可以通過對(duì)刀方式進(jìn)行消除，而行程范圍內(nèi)的熱膨脹誤差則無法通過對(duì)刀方式消除，因此行程范圍內(nèi)的熱膨脹誤差對(duì)機(jī)床加工的影響更大。

2009年，傅建中等在專利“數(shù)控機(jī)床的熱誤差最小二乘支持向量機(jī)建模方法”申請(qǐng)?zhí)枺?00810163141.X中，提供了一種最小二乘支持向量機(jī)熱誤差建模方法。2010年，蘇瑞堯等在專利“工具機(jī)熱誤差智能調(diào)適裝置及其方法”申請(qǐng)?zhí)枺?01010606270.9中，提供了一種基于支持向量回歸熱誤差模型的熱誤差智能調(diào)適裝置及方法。2011年，苗恩銘等在專利“數(shù)控機(jī)床熱誤差補(bǔ)償高次多階自回歸分布滯后建模方法”申請(qǐng)?zhí)枺?01110379618.X中，提供了一種高次多階自回歸分布滯后建模方法。2011年，姚曉棟等在專利“基于時(shí)間序列算法的數(shù)控機(jī)床熱誤差實(shí)時(shí)補(bǔ)償建模方法”申請(qǐng)?zhí)枺?01110085996.7中，采用時(shí)間序列算法建立機(jī)床的熱誤差模型。2011年，姚曉棟等在專利“數(shù)控機(jī)床定位誤差動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)補(bǔ)償系統(tǒng)”申請(qǐng)?zhí)枺?01210258793.8中，將機(jī)床的定位誤差按照影響因子法分解為冷態(tài)下的幾何誤差、室溫變化引起的定位誤差以及螺母運(yùn)動(dòng)溫度變化引起的定位誤差三個(gè)部分并分別進(jìn)行建模。其中，冷卻的幾何誤差模型通過多項(xiàng)式擬合法得到，室溫變化引起的定位誤差根據(jù)線性膨脹計(jì)算公式得到，螺母運(yùn)動(dòng)溫度變化引起的定位誤差采用4次高階曲線擬合的誤差計(jì)算公式得到。 2013年，項(xiàng)四通等在專利“基于人機(jī)界面二次開發(fā)的數(shù)控機(jī)床誤差補(bǔ)償系統(tǒng)及方法”申請(qǐng)?zhí)枺?01310245088.9中，基于人機(jī)界面二次開發(fā)，給出了面向西門子840d數(shù)控系統(tǒng)的補(bǔ)償方法以及線性的進(jìn)給軸熱誤差補(bǔ)償模型。另外，專利“用于高速精密加工的熱誤差實(shí)時(shí)補(bǔ)償系統(tǒng)及其補(bǔ)償方法”、“一種數(shù)控機(jī)床熱誤差建模與補(bǔ)償?shù)姆椒ā薄ⅰ耙环N數(shù)控機(jī)床熱誤差補(bǔ)償灰色神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)建模方法”、“一種基于卡爾曼濾波的灰色模型熱誤差數(shù)據(jù)處理方法”等也都采用了不同方法對(duì)熱誤差進(jìn)行建模。