（机械制造及其自动化专业论文）数控磨床热误差分布及其补偿方法研究.pdf

ad i s s e r t a t i o ni nm e c h a n i c a lm a n u f a c t u r i n ga n da u t o m a t i o n 删f i f i | | | l | i l | i i | i | i i l ! l | i l 洲 y 1 8 4 2 2 4 8 r e s e a r c ho nt h et h e r m a le r r o rd i s t r i b u t i o n a n de r r o r c o m p e n s a t i o no fn cg r i n d i n g m a c h i n e b yb a iy a n g u a n g s u p e r v i s o r ：p r o f e s s o rg o n gy a d o n g n o r t h e a s t e r nu n i v e r s i t y f e b r u a r y2 0 0 8 独创性声明 本人声明，所呈交的学位论文是在导师的指导下完成的。论文中取得的研究成果除 加以标注和致谢的地方外，不包含其他人己经发表或撰写过的研究成果，也不包括本人 为获得其他学位而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在 论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名： = i 和对称性( r = r ) ，故为模糊相似矩阵。若r 不满足传递性 ( r 2 以 其中：崛为机床热误差；t ；各温度测点的温度；以为热误差敏感基数，根据实际情况 确定偏导数大于成的温度测点作为用于热误差建模的考虑对象。 策略五：最近线性策略 如果能够把温度测点安置在一些“策略 的位置，线性模型可用于热误差分析。线 性热误差模型与传统的非线性多元回归模型相比，具有训练速度快和更好的外插性能。 在满足机床加工精度的条件下在热误差建模中采用线性模型，搜索最佳测点组合，使得 建立出来的热误差模型不但线性而且具有一定的精度。 3 4 2 2 关于策略的说明 最后需要指出的是以上五个策略互相之间是有联系和影响的，有些仅只考虑的角度 不同。例如，在满足了主因素、可观测性条件后，温度测点应安置在对热误差最敏感， 且受其它温度测点干扰最小的位置。但要同时满足这些要求一般难以达到，有时为了获 得各温度测点的温度数据之间具有最小的相关性不得不放弃对热误差的灵敏性。所以， 在机床关键温度点的具体选择过程中还要根据实际情况和条件进行综合、全面地考虑。 一般先考虑主因素策略即将各测点温度数据分别和热误差数据作相关，选出与热误差有 一定关系的温度测点；其次考虑互不相关策略，即将各测点之间的温度数据作相关，使 用模糊理论进行温度测点的聚类：然后，综合考虑最大灵敏度策略、最近线性策略及最 少布点策略在各等类测点中选取代表“人物 ，最后，可根据能观察性策略判断按前步 骤所选取的关键温度点能否以一定精度地表达热误差，若不行，则应在增加温度测点后， 再重新进行选择计算。 3 1 东北大学硕士学位论文第3 章数控磨削机床温度场与热误差检测与分析 3 4 3 空载磨削加工中的温度场测量试验 为了检测机床的温度场，在数控磨削机床上布置了1 1 个温度测点。依其在磨削车 床上的位置可分为5 组。 ( 1 ) 两个测点( 编号o - 1 ) 用于测量主轴箱的温度； ( 2 ) 两个测点( 2 3 ) 用于测量丝杆螺母的温度； ( 3 ) 两个测点( 4 5 ) 用于测量冷却液温度； ( 4 ) 一个测点( 6 ) 用于测量室温； ( 5 ) 四个测点( 7 1 0 ) 用于测量床身温度。 首先进行模拟磨削加工循环过程的试验，但只是机床主轴旋转、拖板移动和冷却液 流动而无磨削加工，亦即空磨削。机床先运行3 5 小时，接着模拟中午休息停机1 小时， 然后再运行3 5 小时后停机1 小时。 机床主轴箱液压油冷机温度设定为1 9 ，热像仪镜头距被测部件相距1 5 m ，如图 3 1 3 所示，加工程序采用本章3 6 节的程序，数据采样为每5 分钟热像仪冻结图像一次， 并保存，根据实际情况，对于重点位置，也即所谓的关键点热敏感点，采样间隔时间 适当减小，增加采样点，而对于一些温度变化不明显的位置，则可以适当减少采样频率， 这样既可以保证数据的准确度，又可以减少实验所需的时间，加快实验的进度。图3 1 4 即是运用m a t l a b 软件绘制出的各采样点随时间变化的温度曲线。 图3 1 3 空磨削测量 f i g 3 1 3u n l o a d i n gm e a s u r e m e n t 3 2 图3 1 4 磨削机床温度数据 f i g 3 1 4t e m p e n t u r ed a t ao fg r i n d i n gm a c h i n et o o l 空磨削实验对数控磨床5 个部分的1 1 个测点( 0 1 0 ) 进行了测量，采样间隔时间为5 分钟，上图3 1 4 即为1 1 个测点在8 个实验小时内的温度变化曲线图。 通过该温度曲线图可以看出，机床在最初的3 5 小时内，各测点温度显著上升，而 对于砂轮主轴( 图中的测点0 和1 ) ，x 轴丝杆螺母( 测点2 、3 ) 以及磨削液( 测点4 、5 ) 温 升尤其明显，其中砂轮主轴的温升最为突出，这也于实际情况完全吻合，即使在空磨削 中，来自于砂轮主轴电机的功率损耗也是极为重要的热量来源。电机在将一部分电能转 化为机械能的同时，一部分转化为了热能传递给了砂轮主轴，因此砂轮主轴的温升明显 于其他个部件。 一小时的停机，温度出现暂时的回落，测点o ，1 ，2 ，3 的温升回落较为明显，这 也是由于，这些测点温升的热量来源主要是砂轮主轴电机的热功率损耗，停机之后没有 的热量的传递，因此回落较为明显，而对于磨削液( 测点4 、5 ) 来说，水的比热容相较于 其他部件材质的比热容大，所以即便停机，没有的热量的传递，本身的温度变化反而不 是很明显。 3 3 东北大学硕士学位论文第3 章数控磨削机床温度场与热误差检测与分析 下午开机之后，温度继续上升，3 个小时之后，温度逐渐趋于平稳，不再有明显温 升，这也是机床温度场趋于热平衡的标志。停机之后温度开始下降。而且可以看出由于 磨削液的比热容较大，所以不管是中间的停机还是，还是在最后，它的温度变化相比于 其他位置来说，变化没有那么迅速。对测点机床的床身( 测点7 1 0 ) 在整个过程中温升较 其他测点不明显，温度比较稳定，这是由于床身的热量来源较多，有主轴电机的功率损 耗，有机床各部件在磨削过程中摩擦产生的热量，磨削液热量的传递，外界温度的影响， 热辐射等等，所以即使是中间的停机也对其没有太明显的影响。测点6 是本实验机床所 在实验室的室温温度曲线，由于放置该实验机床的实验室空间并不大，所以在开始阶段， 温度也有一个升高的过程，但温升也是及其缓慢的，在整个过程中基本上趋于恒定，因 此该测点也是在本论文实验中对热误差影响最小的一个温度测点。按照测点优化策略的 相关计算也证明了这一点。 v 在空载磨削过程中，由于是对5 个位置1 1 个测点进行测量，8 的小时的实验，按 照5 分钟采样一次的间隔，所得到的热像图有数百张之多，下面图3 1 5 3 1 8 是其中几 个关键位置测点的热像图，而且这1 1 个测点中有些测点的温升变化本身就很不明显， 温度的高低用颜色来区别，颜色随温度从黑色向白色变化，黑色表示温度较低，颜色越 白，表示温度越高，对比越明显，表示所测位置，各部件或者是材质之间的温差越大。 例如图3 1 5 是刚开始时工作台的热像图，刚开始各点温度趋于相同，从颜色可以 看出对比不是很明显，各点温差较小，图3 1 6 是主轴箱的热像图，白色的位置就是主 轴所在的位置，温度最高，相比于图3 1 5 ，对比就很显著，表明其他点与主轴的温差 很大。图3 1 7b o x l 所表示的位置是砂轮与砂轮主轴的连接处，温度明显较其他位置高， b o x 2 表示的位置是尾座，它的热量来源主要是尾座上电机的功率损耗，以及旋转摩擦 所产生的热量，在空磨削中明显较少，所以温度明显很低。图3 1 8 是顶尖和砂轮主轴 右侧皮带轮的热像图。头架顶尖因为没有明显的热量来源，所以温度很低，而s p o t 3 、 s p o t 4 、b o x l 和b o x 2 所表示的位置就山论主轴右侧连接后面砂轮主轴电机的皮带轮， 它并没有在主轴箱油冷机输来的冷却液中，再加上皮带的高速摩擦，因此温度上升很快， 温度明显很高。 3 4 分析 图3 1 5 工作台热像图 f i g 3 1 5t h e 姗a lp i c t u r eo ft h ew o r k t a b l e 图3 1 6 主轴箱热像图 f i g 3 1 6t h e r m a lp i c t u i o ft h em a i l ls p i n d l eb o x 3 5 东北大学硕士学位论文 第3 章数控磨削机床温度场与热误差检测与分析 。l 缀i i 荔殇锄 蕊麟 毯己 豳 嚣 r i 荣黼 6萋躐 ! 。l r 圜隧黼 霪 。 巨 儿詈g i 薹繇匮j 罐刍匿 薰i1 口睡酮 一乎，| ，二尊一 荔；秀 谧 蕈k 。涟置酞：墨隧隧。麓。羞曛蛐踊i 副嘲墨a 芝稻匝：目酬圜翟 图3 1 7 尾库热像图 f i g j3 1 7t h e m a lp i c t u r eo ft h et a i l s t o c k 一铹 驴铲”柳4 甲雠獭g 笏铭锣垆鬻獬矽譬释弼黟黟鬻弼鳓搿捌磺钟搿纺缈 嬲謦黪翳黝嬲 黪黝 阙 鳜羚4 懿! l 不! 嚣妒【i 翌 = = = 嚣：；睡 旧 ， _g 搦 x 翟 二耧 r ： 猢 一 ll 黧 一e? i i 爹 i 。：，一 ! 。i r _园 黑o 荔燃 ：瞬，劁 溺 一 一r 一 i 簇一l _ 钐缓辨骧l i形7 m 黼 徽镒l l 酝形搦溺隧缓黪组l 黝 隧 戮 一7 i 缀鬻7 绷 鍪 皮带轮苎一夕荔笏缓：乡。j。，j鸳绸 缁 l 锄覆缀搋瞄 隳 磁豳l 哩潦三骚s 1 瞄番溅翰豢鬓霾暴；磊匝缓塑夔霾鋈圜 检测与分析 主轴油冷机温度设定：1 9 实验所用的m k s l 3 2 0 数控磨削机床主轴采用图3 1 9 所示的液压油冷机对砂轮主轴 箱油进行循环冷却，油冷机的冷却温度设定为1 9 。因此砂轮主轴温升在本实验中因 为有油冷机的循环冷却作用，温度的变化会受到影响，但仅仅是温升的快慢以及所达到 热平衡所用的时间会增长，基本的温升规律是不变的。图3 2 0 是负载磨削现场照片， 为了是照片反应的更加清晰，未打开冷却磨削液。图3 2 1 是现场的温度检测照片，红 外热像仪镜头距所摄物1 5 米。 图3 1 9 主轴箱液压油冷机( 温度设定1 9 ) f i g 3 1 9o i lc o o l i n gm a c h i n e ( 1 9 ) 3 7 东北大学硕士学位论文 第3 章数控磨削机床温度场与热误差检测与 东北大学硕士学位论文 第3 章数控磨削机床温度场与热误差检测与分析 3 5 厂 3 4 a 广 7 j 。 醚“ 霸 3 1 3 d ：= j 一 2 9 ，哆：= ：i i i i ；：；：! ：； ! ；：；i 委二一一一，_ 一 彩芗雩。 图3 2 2 机床关键点温度 f i g 3 2 2t e m p e r a t u r eo ft h ek e yp o i n t s 负载磨削，温升同空切削规律基本一致，不同之处在于，由于有磨削热的产生，温 升较大，尤其是砂轮主轴温度，冷却磨削液温升较空磨削明显上升。 在这四个关键点中( t c 、t n 、t s 和t b 分别为冷却液温度、x 轴丝杆螺母、主轴温度 和床身温度) ，主轴的温升相比于其他三个测点，温升明显较快，并且与空磨削的相同 位置测点的温升相比较，不管是温度高低还是温升的速度都要比前者快，这是由于在负 载磨削中除了有砂轮主轴电机的功率消耗，一部分机械能转化为了热能传递给了砂轮主 轴，还有另一部分很重要的热量来源，就是在磨削过程中产生的大量热量，这些热量主 要分为三个部分，一部分通过被磨屑带走，一部分被磨削液带走，剩下的又通过接触的 砂轮带回了砂轮主轴，这样砂轮主轴的热量来源就有两部分，这也解释了为什么主轴的 温升会其他测点明显。另外三个点温升状况基本一致，相比于空磨削相同测点不同的就 是多出了磨削热，温度都较高。 如同空载磨削一样，下面仍然只取出了四张热像图，图3 2 3 和3 2 4 是工作台和主 轴箱，图3 2 5 和3 2 6 为磨削区的红外热图像： 3 9 东北大学硕士学位论文第3 章数控磨削机床温度场与热误差检测与分析 东北大学硕士学位论文第3 章数控磨削机床温度场与热误差检测与分析 i 翻：话 l 。一。一一。 。，。一 ，。 一一。t l 图3 2 5 磨削区热像图一 f 培3 2 5 也e m l a lp i c t l l r eo f 吐l eg m d i n ga r e a l l 二竺世r 竺二l 图3 2 6 磨削区热像图二 f i g 3 2 6m e m l a lp i c t u r e0 f m e 伊i n d i l l ga f e a 4 1 东北大学硕士学位论文第3 章数控磨削机床温度场与热误差检测与 3 5 热误差建模 3 5 1 模型建立 一般来讲，机床误差元素可分三类：仅与机床运动位置有关的几何误差元素； 机床温度有关的热误差元素和既与机床运动位置有关又与机床温度有关的混合误 素。经检测和分析，对于所研究的车削中心，与机床运动位置有关的几何误差不 1 0 垅，而与机床温度有关的热误差( 大约4 0 朋) 占了总误差的7 5 ，故本研究只 热误差的建模和补偿。 热误差最主要应为机床温度分布的函数，故机床类型、大小、结构，加工工件材 料、形状、大小刀具材料、形状，等等因素都问接通过机床温度分布来影响机床热变形 故热误差模型的一般形式可为： 一 丁= c o + 岛巧 j 鼍l 其中：丁为热误差； c 0 ，e ，q 为模型的温度系数； ( 3 1 5 ) 7 ：，l 为温度变量。 # 热误差建模一般过程： ( 1 ) 采集机床各关键点温度数据和相应时间的热误差数据； ( 2 ) 选择热误差模型的阶数； ( 3 ) 使用最小二乘拟合法确定参数； ( 4 ) 建立模型。 ， 本研究考虑到实际使用方便，热误差模型估计式设定为线性模型。另外，为使建 模条件接近实际加工条件及在建模过程中不影响工厂生产，实际加工后的工件尺寸误差 被用为建模数据。 。 在机床关键温度点的优化选择中，根据前面论述的优化布置策略，先后使用了主 因素策略、互不相关策略、最近线性策略、最少布点策略等( 限于篇幅等，具体计算从 略1 ，获得了与上节所述的热变形模态分析中得出一致的在磨削中心上的四个关键温度 4 2 + 乙 r h v c ，一 一硝 + 东北大学硕士学位论文 第3 章数控磨削机床温度场与热误差检测与分析 点，并用于热误差建模。最终从1 1 个温度测点减少到仅使用4 个。求得的热误差估计 模型为( 本例仅考虑尺寸敏感方向，其它同理可得) ： 玖= 2 8 2 4 2 互一2 7 不一1 5 互+ 7 9 乙 。 ( 3 一1 6 ) 其中：t c 、t n 、t s 和t b 分别为冷却液温度、x 轴丝杆螺母、主轴温度和床身温度。 3 5 2 实际磨削加工模型拟合情况 通过图3 2 7 中实际磨削误差曲线，和用最小二乘拟合所得的建模分析图对比可以 看出，估计模型拟合的较好，可以达到补偿的目的。 图3 2 7热误差变化和模型拟合 f i g 3 2 7t h ec o m p a r a b i l i t yb e t w e e nr e a le n d ra n dm a t h e m a t i c a lm o d e l 4 3 东北大学硕士学位论文第3 章数控磨削机床温度场与热误差检测 3 6 主要实验设备及相关参数 图3 2 8 是本实验所用到的m k s l 3 2 0 数控高速外圆磨床照片，图3 2 9 即工作台 ( 1 ) m k s l 3 2 0 数控高速外圆磨床 东北大学硕士学位论文 第3 章数控磨削机床温度场与热误差检测与分析 ( 2 ) m k s l 3 2 0 数控高速外圆磨床规格参数： 中心高 最大磨削直径 顶尖距 最大磨削长度 最大工件重量 砂轮线速 砂轮尺寸 工件主轴转速 机床总功率 砂轮主轴电机功率 交流私服电机功率 1 2 5 m m 2 0 0 m m 5 2 0 7 8 0 m m 5 0 0 7 5 0 m m 5 0 k g 5 0 m s 巾6 0 0 x 巾2 0 3 x ( 2 0 12 5 ) m m 8 0 - 8 0 0 r p m ， 1 9 5 k w 1 1 k w 2 1 k w ( 3 ) 非制冷焦平面红外线热像仪一t h e r m a v is i o na 4 0 一m 技术参数 主要技术规格： 视场角最小焦距 2 4 。x1 8 。0 3 m ( 3 5 m 镜头) 热灵敏度 0 0 8 在3 0 时 焦距内置调焦马达，手动或自动调焦 图像输出 r s l 7 0e i a n t s c 或c c i r p a l 模拟复合视频和火线 ( i e e e 一1 3 9 4 ) 8 位1 6 位数字图像输出，或以太网8 位数字输 出( r t p ) 温度范围一4 0 至+ 5 0 0 ( 一4 0 下至+ 9 3 2 下) 2 种范围可选至+ 1 5 0 0 ( + 2 7 3 2 下) 至+ 2 0 0 0 ( + 3 6 3 2 下) 探测器类型焦平面、非制冷、微热量型探测器( 3 2 0 x 2 4 0 像素) 波长范围 7 5 一1 3pm 帧频 5 0 6 0 h z 4 s 东北大学硕士学位论文 第3 章数控磨削机床温度场与热误差检测与分析 精度 操作环温 测量模式 反射环境温度校正 镜头识别 电源 0 1 1 1 3 ( 4 ) 加工程序 2 ，读数的2 一1 5 至+ 5 5 ( + 5 下至+ 1 3 1 下) 6 点测温、4 区域测温、等温线、温差、等温覆盖率辐射率校正 o 1 至1 0 辐射率可调 自动，根据输入的反射温度外部光学窗口校正自动，根据输 入的光学窗口穿透率和温度 自动识别 交流适配器1 1o 2 2 0 v ，5 0 6 0 h z 1 0 3 0 v ， 6 w n 5m 9 6p 0 0 0 5 ： n 8m 9 8p 1 0 0 0 ； n 4 0 # 5 3 0 = # 5 1 0 + 2 ： n 5 5 # 5 3 1 = # 5 1 1 ： n 7 0m 0 3s 2 0 0 ： n 8 0m 0 8 ： n 8 5g 9 0g o lg 9 4x of 3 0 0 0 ： n 9 0g 9 0g 0 1g 9 4z # 5 3 1 ： n 11 0g 0 1g 9 0g 9 4 x # 5 3 0f 3 0 0 0 ： n 1 5 0g 9 1 g 0 1g 9 4x 一1 2f 5 0 0 ： n 1 6 0x 一1 2f 1 0 ： n 1 7 5x 一0 3f 1 5 ： n 1 8 6x o 1 5f 1 ： n 1 8 0 1 9 8p 3 l1 2 3 ： n 2 2 0g o lg 9 4g 9 1x 2f 5 0 0 ： n 2 6 0g 9 0g 9 4g 0 1x # 5 5 0f 4 6 0 0 ： n 2 7 0m 0 5 ： n 2 7 5m 0 9 ： 4 6 4 7 llliiiiilijiii“ijj 术初探 误差补偿的具体执行是通过移动运动副以使刀具和工件在机床空间误差的逆方向 上有一相对运动而实现的。 4 2 误差补偿方法 在早期的误差补偿研究中，补偿是通过离线修改数控代码而实现的。该方法相当耗 时，且假定离线辨识的误差在实际加工中保持相同。近年来，开发了两种不同的技术来 实现误差补偿：反馈中断法和原点平移法。 ( 1 ) 反馈中断法 反馈中断法是将相位信号插人伺服系统的反馈环中而实现的。如图4 1 所示，补偿 用计算机获取编码器的反馈信号，同时，该计算机还根据误差运动综合数学模型计算机 床的空间误差，且将等同于空间误差的脉冲信号与编码器信号相加减。伺服系统据此实 时调节机床拖板的位置。该技术的优点是无需改变c n c 控制软件，可用于任何c n c 机床， 包括一些具有机床运动副位置反馈装置的老型号c n c 机床。然而，该技术需要特殊的电 子装置将相位信号插入伺服环中。这种插入有时是非常复杂的，需要特别小心，以免插 入信号与机床本身的反馈信号相干涉。 图4 1 反馈中断法原理图 f i g 4 1t h em e t h o do ff b e d b a c ki n t e n l l p t i o n 4 9 东北大学硕士学位论文第4 章数控磨床热误差补偿技术初探 ( 2 ) 原点平移法 补偿用计算机计算机床的空间误差，这些误差量作为补偿信号送至c n c 控制器， 通过i 0 口平移控制系统的参考原点，并加到伺服环的控制信号中以实现误差量的补偿。 原点平移法不用改变任何c n c 机床的硬件，这种补偿系统既不影响坐标值，也不影响 c n c 控制器上执行的工作程序。补偿系统由微机结合机床控制器构成。因而，对操作 者而言，该方法是不可见的。流程框图见图4 2 ，工作过程和功能如下。首先通过布置 在机床上的温度测点实时采集机床温度信号：经放大等预处理后再通过a ，d 板进入微 机。微机根据预先建立的热误差数学模型结合实时采集的机床温度值运算出补偿值并把 补偿值送入机床控制器。控制器根据补偿值实时控制刀架的附加进给运动来修正误差、 提高机床加工精度。 图4 2 原点平移法补偿系统 f i g 4 2t h em e t h o do fo r i g i nt r a n s l a t i o n 5 0 信号插入复杂，易产生干涉。 ( 2 ) 原点平移法 优点：无需改变c n c 机床的硬件，所需补偿设备易于实现。 缺点：实时温度测取装置布置麻烦。 综合两种误差补偿的方法来讲，原点平移法在实际工业生产中较为容易实现，可操 作性相对较好。这种方法也是目前较为常见的热误差补偿法。 5 1 q 东北大学硕士学位论文第5 章结论及展望 5 1 结论 第5 章结论及展望 本论文深入研究了误差补偿技术，研究了一种适合于同类机床热误差补偿的热误差 鲁棒建模新理论，改进和提出了综合最小二乘建模新方法；研究温度测点在数控磨削机 床上的优化布置理论以及温度场和热误差的检测和分析；对数控磨削车床热误差补偿技 术进行了理论探讨，提出了两种误差补偿方法：反馈中断法和原点平移热误差补偿法。 并在此基础上建立误差补偿数学模型，以提高机床精度。总结全文可以得出如下一些结 论。 ( 1 ) 误差补偿技术是一项具有显著经济价值的技术，特别对改造低性能机床或老机 床具有更重大的意义。随着科学技术的发展及补偿技术提高，误差补偿技术将在精密加 工、乃至超精密加工中发挥更大的作用。 ( 2 ) 本文将传统建模的统计理论与工程判断相结合，提出了一种热误差综合最小二 乘建模新方法。这种新方法具有误差辨识时间短，可用少量的试验数据获得更合理有效 的热误差数学模型；不同机床、环境和实验条件等采取不同的建模策略；建模约束条件 少，降低了对温度测点位置的敏感性的特点。 ( 3 ) 热误差模型的鲁棒性、辨识时间、温度测点布置位置三者相互关联，合适的温 度测点布置位置不但可增加热误差模型的精度和鲁棒性，而且可减少辨识时间，又可减 少用于建模的温度测量点数量，故测点的布点极为关键和重要。 ( 4 ) 本文提出了主因素策略、互不相关策略、最少布点策略、最大灵敏度策略和最 近线性策略的五个布置策略。还结合机床热误差模态分析等来进行关键温度点的优化选 择，取得了很好的效果。数字分析和实验分析均已证明，当策略地选择了关键温度点时， 线性模型可用于热误差分析。 ( 5 ) 本研究对数控磨削机床的热误差补偿进行了理论初步的探讨，将采集到的一些 关键点温度代人综合数学模型以求得补偿值。补偿信号经c n c 控制器，通过i o 口平 移控制系统的参考原点，并加到伺服环的控制信号中以实现误差量的补偿。 5 3 东北大学硕士学位论文第5 章结论及展望 5 2 展望 在国内外有关学者的不懈努力下，误差补偿技术已有了很大的发展，在各方面的应 用越来越广泛。但是，由于机床各种误差有着复杂多变的特性。误差的产生是一动态过 程，具有非线性，时滞的特点，它的大小从统计角度分析，其分布是非正态和不平稳的； 误差也往往不是孤立出现的，而是伴随着热、力等众多因素。从另外一个角度看，误差 补偿技术涉及面较广包括检测技术、传感技术、信号处理技术、微电子技术、材料技术、 计算机技术、控制技术，等等。所以误差补偿技术还不很成熟，有很多问题待解决，很 多理论待完善，很多技术待提高。从目前的发展状况来看，今后需解决的主要工作有： ( 1 ) 创建鲁棒性更好的误差模型新方法。本文提出了一种热误差鲁棒建模新方法， 但随着对机床加工精度要求进一步提高及考虑到另外一些其他要求，一定还有要求创立 其它更好的建模方法诉求。 ( 2 ) 进一步减少误差辨识时间和优化测点布置位置。由于影响机床热误差的因素很 多，像环境温度、冷却液、磨削参数、主轴转速、进给量、进给速度，等等，因此，这 种辨识过程需要模拟所有这些条件，一般要花很长时间。特别是环境温度，一年四季不 同样。误差辨识时间又和误差建模方法和温度测点布置位置有关。如何在短的时间内获 得鲁棒性强的误差模型是个有待解决的问题，应用优化试验设计理论是否有助于缩短误 差辨识时间。 ( 3 ) 在机床几何误差和热误差补偿的同时还可以补偿磨削力和刀具磨损引起的误 差。补偿研究中，目前大部分还没有考虑到磨削力及刀具磨损所引起的误差。一般都假 定，传统的精加工中，磨削力很小所导致的变形可以忽略。然而随着强力磨削应用的增 长或在一些难加工材料磨削中，磨削力及刀具磨损误差变得重要起来。故很有必要进行 机床几何误差、热误差、磨削力误差、刀具磨损误差的综合补偿。这里的主要问题是如 何建立包括机床几何误差、热误差、刀具磨损误差、磨削力误差等分别属于静态误差f 几 何误差) 、准静态误差( 热误差、刀具磨损误差) 、动态误差( 磨削力误差) 等不同性质误差 的综合数学模型。 ( 4 ) 开发具有经济性、智能性、通用性、方便性、柔性的误差检测和补偿系统。对 于补偿，根据要求向补偿系统输人最新采集的数据( 或自动采集、储存数据) ，通过软件 即时自动处理数据、修改模型，使误差预报得更准确。 ( 5 ) 研究热热变形模态与力振动两者的相似性。与不同的力会产生不同的振动相 5 4 5 5 东北大学硕士学位论文参考文献 参考文献 1 杨庆东数控机床热误差补偿建模方法 m ，制造技术与机床2 0 0 0 2 李静敏，黄明礼，朱卫斌数控机床温度与热误差检测系统 m ，上海交通大学2 0 0 0 3 范金梅许黎明赵晓明机床热误差补偿中温度测点布置策略的研究 d ，上海交通人学机械制 造与自动化研究所2 0 0 0 ( 3 ) 4 杨建国，潘志宏，孙振勇，刘行，薛秉源回归正交设计在机床热误差模中的应用 d ，航空精密制造 技术1 9 9 9 5 杨建国邓卫国任永强李院生窦小龙机床热补偿中温度变量分组优建模 d ，上海交通大学 机械与动力工程学院2 0 0 0 ( 3 ) 6 杜正春，杨建国，关贺，窦小龙制造机床热误差研究现状与思考 d ，上海交通大学2 0 0 0 7 杨建国数控机床误差综合补偿技术及应用 d ： 博士学位论文 ，上海交通大学，1 9 9 8 ( 1 ) 8 李永祥，童恒超，杨建国灰色系统理论在机床热误差测点优化中的应用 d ，上海交通大 学2 0 0 0 9 杨建国，薛秉源数控机床鲁棒建模新方法及实时补偿 d ，制造技术与机床1 9 9 8 ，6 ：8 一1 0 l o 倪军数控机床误差补偿研究的回顾及展望 j ，中国机械工程，1 9 9 7 ( 1 ) 1 1 杨建国，张宏韬，童恒超，曹洪涛，任永强数控机床热误差实时补偿应用 j ，上海交通大学 报2 0 0 0 1 2 廖平兰机床加工过程综合误差实时补偿研究 j ，机械上程学报，1 9 9 2 ，2 8 ( 2 ) ：6 5 6 8 1 3 盛伯浩，唐华数控机床误差的综合动态补偿技术 j ，制造技术与机床，1 9 9 7 ，6 ：1 9 2 1 1 4 张奕群，李书和，刘安伟，张国雄基于主轴转速的机床热误差状态方程模型 d ，1 9 9 8 ，1 9 ( 5 ) ： 4 6 0 4 6 3 1 5 s c h a f e rw 机床的热变形补偿 m ，i n d - a n z 1 9 9 0 ，1 1 2 ( 7 2 ) 1 6 千辉淳二机床温度控制研究( v i ) j ，精密工学杂志1 9 9 0 5 6 ( 7 ) 日 1 7 y o u d e nd a v i dh 车床温度侧量装置 d ，1 9 9 3 3 1 8 松尾光荣通过对加工中心的温度分布测量进行热位移补偿( i i ) j ，精密工学杂志，1 9 9 1 ，5 7 ( 3 ) 日 1 9 b r y a n ，j b i n t e r n a t i o n a ls t a t u so ft h e r m a le r r o rr e s e a r c h j ， a n n a l so fc i r p ， 1 9 9 0 ， 3 9( 2 ) ：6 4 5 6 5 6 5 7 ， 东北大学硕士学位论文 参考文献 2 0 f e r r e i r a ，p m ，l i u ，c r am e t h o df o re s t i m a t i n ga n dc o m p e n s a t i n gq u a s i s t a t i ce r r o r s o fm a c h i n et o o l s j ， j o u r n a lo fe n g i n e e r i n gf o ri n d u s t r y ，1 9 9 3 ， l1 5( 1 ) ：1 4 9 1 5 9 2 1 r o b e r tb a r o n s o n w a ra g a i n s tt h e r m a le x p a n s i o n m a n u f a c t u r i n ge n g i n e e r i n g j ，j u n e l 9 9 6 ， 11 6( 6 ) ：4 5 5 0 2 2 m w e c k ， e ta 1 r e d u c t i o na n dc o m p e n s a t i o no ft h e r m a le r r o ri nm a c h i n et 0 0 1 s j ，a n n a l s o fc i r p ， 1 9 9 5 ， 4 4( 2 ) ：5 8 9 5 9 7 2 3 c a m e r aa ，f a v a r a t om ，m i l i t a n ol ，e ta 1 a n a l y s i so ft h et h e r m a lb e h a v i o ro fam a c h i n e t o o lt a b l eu s i n gt h ef i n i t ee 1 e m e n tm e t h o d j ，a n n a l so fc 1 r p ， 9 7 6 ， 2 5( i ) 2 4 s p u rg ， h o f f m a n ne ，p a l u n c i cz ，e ta 1 t h e r m a lb e h a v i o ro p t i m i z a t i o no fm a c h i n e t o o l s j ， a n n a l so fc i r p ， 1 9 8 8 ，3 7( 1 ) 2 5 b r y a n ，j b i n t e r n a ti o n a ls t a t u so ft h e r m a le r r o rr e s e a r c h j ，a n n a lso fc i r p ， 1 9 9 0 ， 3 9( 2 ) ：6 4 5 6 5 6 2 6 f e r r e i r a ，p m ，l i u ，c r am e t h o df o re s t i m a t i n ga n dc o m p e n s a t i n gq u a s i s t a t i ce r r o r s o fm a c h i n et o o l s j ， j o u r n a lo fe n g i n e e r i n gf o ri n d u s t r y ， 1 9 9 3 ， 1 1 5 ( 1 ) ：1 4 9 1 5 9 2 7 r o b e r tb a r o n s o n w a ra g a i n s tt h e r m a le x p a n s i o n j ， m a n u f a c t u r i n ge n g i n e e r i n g ，j u n e 1 9 9 6 ，1 1 6 ( 6 ) ：4 5 5 0 2 8 c a m e r aa ，f a v a r a t om ，m ili t a n ol ，e ta 1 a n a l y s i so ft h et h e r m a lb e h a v i o ro fam a c h i n e t 0 0 1t a b l eu s i n gt h ef i n i t ee 1 e m e n tm e t h o d j ， a n n a l so fc 1 r p ， 9 7 6 ，2 5 ( 1 ) 2 9 s p u rg ，h o f f m a n ne ， p a l u n c i c7 ，e ta 1 t h e r m a lb e h a v i o ro p t i m i z a t i o no fm a c h i n e t 0 0 1 s j ，a n n a l so fc i r p ，1 9 8 8 ，3 7 ( 1 ) 3 0 z h a n gg ，w a n gc ，h ux e r r o rc o m p e n s a t i o no fc o o r d i n a t em e a s u r i n gm a c h i n e j ，a n n a l s o fc i r p ， 1 9 8 5 ， 3 4( i ) ：4 4 5 4 4 8 3 1 f e r r e r i r a ， p m ， l i uc r a na n a l y t i c a lq u a d r a t em o d e lf o rt h eg e o m e t r i ce r r o ro fa m a c h i n et o o l j ， j o u r n a lo fm a n u f a c t u r i n gs y s t e m s ，1 9 8 6 ， 5( 1 ) ：5 1 6 2 3 2 t o s h i m i c h im o r i w a k i ，e ta 1 t h e r m a ld e f o r m a t i o na n di t s0 n l i n ec o m p e n s a t i o no f h y d r o s t a t i c a l l ys u p p o r t e dp r e c i s i o ns p i n d l e j ， a n n a l so fc i r p ， 1 9 8 8 ，3 7 ( i ) 3 3 a n j a n a p p am ，a n a n dd k ， k i r kj a e r r o rc o r r e c t i o nm