数控机床的热误差和切削力误差混合补偿技术

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1、哈尔滨理工大学研究生考试试卷考试科目：测试与控制系统阅卷人：刘献礼专业：机械工程姓名：曲翠翠（1020100112）2011年6月14日7数控机床的热误差和切削力误差混合补偿技术班级：机械研10-3姓名：曲翠翠学号：1020100112摘要：数控机床切削加工过程中的热误差和切削力误差是机床加工过程中两个主要动态误差。在对切削过程中的热变形和切削力分析的基础上，选择合理的参量，采用适当的多元信息融合技术建立热误差和切削力误差的混合误差模型，并利用误差模型搭建误差补偿系统，对数控机床进行实时动态补偿，

2、通过仿真验证误差补偿的可行性和可靠性。本文分析BP神经网络在机床误差监测中的应用，并且对动态误差补偿系统以及仿真进行描述，介绍数控机床动态误差——热误差和切削力误差补偿技术的实现过程。关键字：误差模型；在线监测；动态补偿一、引言随着制造技术的快速发展，现代化制造对数控机床加工精度的要求越来越高。数控机床要满足自身数控系统和设备主体高稳定性、高精度的要求，除在制造过程中提高制造精度外，机床使用过程中的误差补偿技术同样有其重要的研究意义，成为近年来数控设备研究的热点问题。同时随着机床数控技术和计算机技

3、术的发展，高灵敏度传感器的大量应用，软件补偿技术已经成为误差补偿的主流，并且在工业生产中显示出越来越大的作用。机床的加工精度最终是由机床上刀具与工件之间的相对运动精度决定的。机床上刀具与工件之间的相对位移误差可以通过误差运动学模型来计算，而误差补偿是指人为地造出一种新的误差去抵消或大大减弱当前成为问题的原始误差，通过分析、统计、归纳后掌握原始误差的特点和规律，建立误差数学模型，尽量使人为造出的误差和原始误差两者的数值相等、方向相反，从而减少加工误差，提高零件尺寸精度。很明显误差补偿采用的是“软技术

4、”，其投入的费用与提高机床本身精度或新购买高精度机床相比较，价格要低得多。因此，误差补偿技术是一项具有显著经济价值并十分有效的提高机床精度的手段。随着我国国民经济的发展，对数控机床数量和质量的要求也越来越高。数控床加工过程中的误差因素较多，其中热误差和切削力误差是两个主要的动态误差，因为受多种因素的影响随机性强，是误差补偿中研究的关键对象。目前单独对热误差和切削力误差补偿的研究较多，但是单一误差补偿往往补偿精度低，效果不显著，针对这种情况，目前提出将热误差和切削力误差混合补偿的办法提高补偿精度。7

5、二、数控机床误差补偿技术的国内外研究现状国外的误差补偿技术开展得比较早，取得了不少成绩，主要的研究单位有美国密西根大学、国家标准和技术所，日本的东京大学、日立精机，德国的柏林工业大学等，美国密西根大学倪军教授领导的科研小组在热误差补偿方面取得了令人瞩目的成果，他们近几年运用小脑模型连接控制器（CMAC）神经网络建立了机床热误差模型，提出了热误差补偿动态建模方法、基于递推动态建模策略的自适应热误差建模和对非线性、不平稳机床热误差的动态神经网络建模方法。国内对误差补偿技术的研究主要集中在高校和科研单位

6、。浙江大学、天津大学、华中理工大学、清华大学、哈尔滨工业大学、上海交通大学、南京航空航天大学等院校对误差补偿技术进行了比较深入的研究。其中天津大学在数控机床误差补偿技术和应用上具有一定影响，特别是在数控机床的位置误差模型建立、三坐标测量机的动态误差模型建立和补偿上都有比较深入的研究[1]。上海交通大学的杨建国等人在机床热误差和切削力误差补偿技术上的研究走在误差补偿的前沿领域，近几年提出将热误差和切削力混合进行补偿的办法。但是在我国，误差补偿技术绝大部分还主要停留在实验室范围内，在具体应用中还不普遍

7、。三、数控机床动态误差的来源及分类影响数控机床加工精度的因素很多，数控机床的加工误差来源[2]于以下几个方面：①机床的零部件和结构在制造和装配时产生的几何误差，包括零件尺寸误差和装配误差；②机床内、外部热源引起的热变形误差；③机床自重、切削力变形以及由于动刚度不足产生的振动误差；④机床轴系伺服系统产生的伺服跟随误差；⑤数控插补算法产生的插补误差；⑥其它误差，如外界振动、湿度、气流变化等产生的环境误差以及检测系统中产生的检测误差等。误差分类方法多样，其中一种分类方式是根据误差的来源划分，将其分为以下

8、几类：(1)机床系统的空间误差，它包括:①由于结构几何误差、热误差和承载变形误差引起刀具与工件作用点上的相对位置偏差；②由于伺服系统的跟踪误差、进给传动机构误差和位置检测误差等引起的位移误差。(2)刀具系统的位置误差，主要由换刀、刀具的尺寸调整误差、受力变形、热伸长和磨损等因素引起的。(3)工件和夹具系统的位置误差，主要由装夹弹性变形、切削热和工件材质不匀等随机误差引起的误差。(4)7检测系统的测试误差，主要指加工过程中实时检测，或工序间在机检测的测试误差。(5)外界干扰误差，主要