（机械电子工程专业论文）数控机床热误差检测与补偿技术.pdf

n a n ji n gu n i v e r s i 妙o f a e r o n a u t i c sa n da s t r o n a u t i c s t h eg r a d u a t es c h o o l c 0 1 1 e g eo f m e c h a n i c a l & e 1 e c t r i c a le n g i n e e r i n g t h e r m a le r r o rm e a s u e m e n ta n d c o m p e n s a t i o no f c n cm a c h i n et 0 0 l s a t h e s i si n m e c h 锄i c a le n g i l l e 嘶n g b y l u ow 醯 a d v i s e d b y p r o y - ew 色i l l m a s u b n l i t t e di np a 】m a lf u l f i l l m e n t o fm er - e q u i r e m e n t s f i o rm ed e 伊e eo f m a s t e ro f e n g i n e e r i n g j a n u a 2 0 l o 吨 承诺书 本人声明所呈交的硕士学位论文是本人在导师指导下进 行的研究工作及取得的研究成果。除了文中特别加以标注和致 谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成 果，也不包含为获得南京航空航天大学或其他教育机构的学位 或证书而使用过的材料。 本人授权南京航空航天大学可以将学位论文的全部或部 分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描 等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本承诺书) 作者签名：受筮作者签名：! 錾整 日 期：玉也衅 、 ， ， 冬 ， f p i i p 囔 南京航空航天大学硕士学位论文 摘要 数控机床热误差是精密和超精密加= i ：过程中的一项主要误差源，热误差补偿技术是减小热 误差、提高机床精度的一种经济而有效的方法。本文设计开发了温度和热误差检测系统、温度 测点优化与热误差建模软件系统以及热误差补偿器。 检测系统硬件以温度传感器、位移传感器和p c i 总线数据采集卡为核心，并开发了信号调 理板以实现模拟信号的转换和滤波；系统软件基于i a b v m w 图形化编程语言，采用局部循环 缓存技术开发，能同时采集3 2 个通道，由参数设置、试验条件、连续采集、数据存储和数据观 测5 个功能模块组成。 针对传统分组优化方法应用于多方向温度测点优化造成测点过多的问题，提出了多方向温 度测点优化理论，通过相关性分析获得单方向上的典型温度测点，基于各方向公共的温度测点 进行组合分析获得多方向上的最优温度测点组合。对卧式加工中心m c h 6 3 采用基于最小二乘 的多元线性回归和r b f 神经网络两种方法建立其热误差模型，比较不同模型的预测能力，结果 表明，r b f 神经网络更适用于对复杂和多测点的机床进行热误差建模。在优化理论和建模方法 研究的基础上，利用m 枷。a b 的图形用户界面开发了优化和建模软件系统，缩短了测点优化 和热误差建模的时间。 热误差补偿器以d s p 和a d 为核心，并利用光耦隔离原理开发了补偿器与数控系统接口 电路。补偿器采集温度信号并根据导入的热误差模型计算出热误差补偿值，通过c n c 参数设 置和p m c 程序将补偿值以二进制形式输入数控系统，利用机床的外部坐标系原点偏移功能将 热误差补偿。 将开发的检测系统、优化和建模分析系统及热误差补偿器应用于精密卧式加工中心 m c h 6 3 ，选择出用于热误差建模的温度测点，建立了热误差的多元回归线性模型，进行了热误 差补偿试验，证明了补偿器能够进行热误差补偿，经补偿后机床热误差得到减小。 关键词：数控机床，热误差检测，温度测点优化，热误差建模，热误差补偿 数控机床热误差补偿技术研究 a b s t r a c t t h e i e 肌2 l le r r o ro fc n cm a c h i i l et o o l si sam a i l le r r o ri 1 1t h ep r e c i s i o na n du l 缸a p r e c i s i o l l n 眦h i l l i l l g 1 1 1 et l l e n m le n 0 rc o m p e n s a t i o ni s 锄e c o n o m c a l 锄de 彘c t i v e 眦t i l o dt o d u c et 1 1 e m l a l e 仃0 ra n di i l l p r 0 、，em em a c h i n et o o lp r e c i s i o n h lt i l i sd i s s e r t a 6 0 n ，t 锄p e r a t u r ea n dm e 肌a l 锄r m e 弱u r e m ts y s t e m ，姐a l y s i ss y s t e mu df o rt e m p e r a t l l r em e 弱u r e m e n tp o i l l t s 叩t i i t l i 窈t i o n 孤d n l e m l a je n 0 rm o d e l i n g ，d e 、，i c ef o rt h 铋m le r r o rc o r 印e r 塔a t i o na r ed e s i 弘e d 趾dd e v e l 叩e d t h em e 蕊u r e m e n ts y s t 锄sh 幽a 托w 勰b 觞e do nt e m p c r a t u r e n s o r s ，d i s p l a c e i m n ts 廿塔。塔 锄dp c id a t a q u i s i t i o nc a r d ；s i 伊m lp r o c e s s i n gc i r c u i tw 弱d e v e l 叩e dt oc o n v e r s i o na n df i l t 盱o f 锄a l o gs i 印a i s s y s t e m ，ss o f h a r ew 够b 觞e do nl a b wl 锄g u a g e ；m e 、7 l ，_ h o l e0 p e m t i o nr a t eo f d a t a q u i s i t i p r o 野吼w 觞e n h a n c e db yl l s 访gl o c a lc n u 蜥c a c h et e c h n o l o g y 觚d l i l l ：”w 0 c h 锄e l so fs i i l g l ec 锄b e q u i r e ds i r n u l t a n e o u s l y t h em e 笛u 1 1 e m e n ts y s t e mc o r i s i s t e do fp 猢e t e r s e t t i i l g ，t e s tc o n d i t i o n s ，c o n t i i 】【u o u sa c q u i s i t i o n ，d a _ t as a v i n g 锄d d a t a0 b 蚓ef i v ef h n c t i o m ir n o d u l e s a c c o r d i n gt o m a tt o o 姗c ht e 硼崩锄山ep o i i l t sw e r ec h o s w h e nt r a d i t i o m lg r o u p i n g 0 p t 沛i z a t i o nw 雒u s e di i is e v e m ld i 他c t i o 璐，m u l t i 捌r e c t i o nt e m p e r a t i l r ep o i i i t so p 伽动t i o nw 弱 p s e n t e d t 如i c a lp o i n t sw e 他o b t a i r l e db yc o r r e l a t i o n 砌y s i si l lad i l e c t i o n ，m e nt i 他p o i n t su s e df - o r 埘1 0 d e l i n gw e r ea c l l i e v e db yc o 坷o i l l ta n a l y s i sb 笛e do nt h ec o m m p o i i l t si na l ld i r e c t i o i 塔t h e 册a l e 肋rw 弱m o d e l i n gb y 删j l t i p l el i r l e 缸托伊e s s i o nb 舔e d l e 舔ts q u a 他a n dr b fn e u r a ln e t 、) i ，o r k 1 1 1 o r d e rt or e d u c et l l et i m eo fp o i i l t s 叩t i l l l j z a t i o n 锄dr n o d e l i l l g ，锄叩t i l i l i 痂g 锄dm o d e l i l l gs y s t e m 、勰 d e v e l o p e db ym a = r i 。a b t h ed e v i c eu s e df 1 0 rt 1 1 e 册aie r r o rc 唧e n s a t i n gw 弱b 豁e do nd s p 龇l da d ，a l l dt l l ei 1 1 t e 矗犯e c i r c u i tw 髂d e v e l o p e db 越e do nm et l l e o d ro f 叩t i c a lc o u p l i i l gi s o l a 石o n t h e 删rw 器c a l c u l a t e d c o r 凼r 喀t ot e m p e r a t u 陀s i 印a l 孤dt l l e m l a le r r o rm o d e l ；t l l e ni tw 笛位m s l t l i 舵db ys e t t i i l gc n c p a r 咖e t e r 觚dp m cp r 0 鲈吼；m e r i n a ic 玎0 rw 於c o 硼) e 雎a t e db ye x t e m a lc 0 0 r d i n a t es y s t e m s h j f t t h et e m p e m t i l r ea n dt i l e m l a le r r o rm e 嬲u r e m e n ts y s t e m ，p o i i l t s0 p t i m i z a t i 锄dt l l e m l a le 唧 m o d e l i i l g 柚a l y s i ss y s t e i n 托a 1 t i i i l et l l 锄a le r r o rc o m p c 璐a t i 姐d c c ew e 砖u s e d m c h 6 3 h o r i z o n t a jm a c h i l l i n gc e n t e r t h et e m p e 瑚t 眦p o i n t sl l s e df b rm o d e l i n ga n dt i l e 咖a le r r o f 加d d e lw e o t 庀i i r 圮d ，觚d 吐l e 朋a l rw 鹊c o m p e 璐a t e d t h e 陀s u hi i l d i c 龇e dm a tt h ed e v i c ec o u l dc o m p e 嬲a t e t 量l et h e n n a ia 盯o r 孤dt l l e 吐屺n 硇a ie n 0 rw a sd e c r e a s e d k e y w o r d s ：c n cm a c h i i l et o o l s ，t 1 1 e m f l a le 盯o ri n e 笛m 豇n e n t ，m 骶q p h 盱a t u 他m e 弱m 吼玳m tp o i i i t s 叩t i n l i z a t i ，1 1 1 e n n a le n d rm o d e l i i i g ，t h e m l a le n 班c o m p e 雎a l i n ， 絮 l 一 飞 南京航空航天大学硕士学位论文 目录 第一章绪论1 1 1 课题背景和意义j 1 1 2 热误差补偿技术的研究现状2 1 2 1 温度与热误差检测技术2 1 2 2 温度测点优化技术3 1 2 3 热误差建模技术4 1 2 4 热误差补偿技术5 l - 3 热误差补偿技术存在的问题6 1 4 论文的主要内容7 第二章机床温度与热误差检测系统开发8 2 1 对检测系统的要求和检测原理8 2 2 检测系统硬件9 2 3 检测系统软件1 3 2 3 1 参数设置模块1 5 2 3 2 试验条件模块1 5 2 3 3 连续采集模块1 6 2 3 4 数据存储模块。18 2 3 5 数据观测模块18 第三章多向温度测点优化与热误差建模2 0 3 1 多向温度测点优化方法研究2 0 3 1 1 单向温度测点优化2 0 3 1 2 多向温度测点优化2 2 3 2 热误差建模方法2 3 3 2 1 统计回归建模法2 3 3 2 2r b f 神经网络建模法。2 4 3 3 优化建模软件系统开发2 6 3 3 1 总体结构设计2 6 3 3 2 功能模块的开发2 7 第四章热误差补偿系统设计与开发3 2 数控机床热误差补偿技术研究 4 1 热误差补偿系统的补偿方式和补偿策略一3 2 4 1 1 热误差补偿系统的补偿方式3 2 4 1 2 热误差补偿系统的实施策略3 3 4 2 热误差补偿系统结构3 4 4 3 补偿器的开发。3 5 4 3 1 微处理器的选型3 5 4 3 2 补偿器硬件电路设计3 7 4 3 3 补偿器的软件设计4 2 4 4p m c 程序设计4 5 4 4 1 外部机床坐标系原点偏移功能4 6 4 4 2 扩展的外部机床坐标系原点偏移功能4 8 第五章热误差补偿试验5 l 5 1 试验内容和试验对象5 l 5 2 温度与热误差检测及分析5 l 5 2 1 测点的布置5 1 5 2 2 试验条件的设置5 3 5 2 3 试验结果分析5 4 5 3 温度测点优化选择5 5 5 4 热误差建模。5 7 5 4 1 多元统计回归建模5 7 5 4 2r b f 网络建模5 8 5 5 热误差补偿5 9 5 5 1 补偿器安装与验证。5 9 5 5 2 实施补偿及效果一6 0 第六章总结与展望6 2 6 1 本文主要工作。6 2 6 2 后续工作展望6 2 参考文献6 4 致 射6 8 在学期间的研究成果及发表的学术论文6 9 i v 患 ， ； q 南京航窄航天人学硕士学位论文 图清单 图3 1 多方向上温度测点优化流程图2 3 图3 2r b f 网络结构2 5 图3 3r b f 网络隐含层神经元的输入与输出2 5 图3 4 温度测点优化和热误差建模软件系统结构框图2 6 图3 5 主界面2 7 图3 6 读取数据文件界面2 7 图3 7 试验数据观测界面2 8 图3 8 温度测点优化界面2 8 图3 9 相关系数表界面2 9 图3 1 0 组合分析表界面。2 9 图3 1 1 热误差建模界面。3 0 图3 1 2 多元回归热误差模型拟合曲线图。3 0 图3 1 3r b f 网络热误差模型拟合曲线图。3 l 图4 1 闭环反馈补偿方式3 2 图4 2 开环前馈补偿方式3 2 图4 3 半闭环前馈补偿方式3 3 图4 4 反馈中断法原理3 4 图4 5 原点平移法原理3 4 图4 6 热误差补偿系统的结构3 5 图4 7t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 的内部结构与资源3 6 图4 8a d c 模块的功能框图3 6 图4 9 热误差补偿器硬件框图3 7 图4 1 0 信号调理电路原理图。3 8 图4 1 1 热误差补偿器电源电路。3 9 图4 12 隔离电路原理图3 9 图4 13 上电复位电路3 9 i ! e i4 1 4 时钟电路41 幽4 1 5j t a g 接口电路设计4 l 图4 16t l p 5 21 电路原理4 2 v 数控机床热误差补偿技术研究 图4 17 热误差补偿器和接口板4 2 图4 1 8 数据采集和处理主程序流程图4 3 图4 1 9a d c 转换的流程图4 4 图4 2 01 m s 3 2 0 f 2 8 1 2 的时钟分频模块图4 4 图4 2 lp m c 与c n c 、m r 间信号的地址符号约定4 6 图4 2 2 功能信号地址说明4 6 图4 2 3 数据信号地址说明4 6 图4 2 4 控制信号地址说明。4 7 图4 2 5 补偿值输入时序4 7 圈4 2 6p m c 程序编制中主要功能指令4 8 图4 2 7 参数1 2 0 3 功能控制位说明4 9 图4 2 8 参数1 2 8 0 说明4 9 图5 1m c h 6 3 卧式加工中心结构5 1 图5 2 温度测点布置5 2 图5 3 三向热位移测量5 3 图5 4 三向迸给运动轨迹5 3 图5 5a 组试验主轴转速和进给速度的设置一5 4 图5 6b 组试验主轴转速和进给速度的设置5 4 图5 7a 组试验不同测点的温升曲线5 5 图5 8 三个方向的热误差曲线5 5 图5 9 多元回归热误差模型拟合曲线5 8 图5 1 0 多元回归热误差模型预测曲线5 8 图5 1 1r b f 网络热误差模型拟合曲线5 8 图5 1 2r b f 网络热误差模型预测曲线5 9 图5 1 3 补偿器与数控系统接线图6 0 图5 1 4 热误差补偿前后曲线6 l ， 、 - q 南京航空航天大学硕士学位论文 表清单 表4 1p l l ( 锁相环) 倍频系数选择4 0 表4 2 外部坐标原点偏移量的起始地址说明4 9 表5 1 温度传感器的安装位置5 2 表5 2 温度测点与热误差相关性排序5 6 表5 3 温度测点分组结果5 6 表5 4 典型温度测点5 6 表5 5y 方向温度测点组合分析5 7 表5 6z 方向温度测点组合分析5 7 表5 7p m c 、c n c 、m r 中的地址对应关系5 9 v n ， ( 毒 气 南京航空航天人学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 课题背景和意义 本文课题背景是南京航空航天大学与南通科技投资集团股份有限公司的合作项目( 江苏省 科技成果转化专项资金资助项目“同步双驱高速高效精密卧式加工中心研发与产业化 ，项目编 号b a 2 0 0 7 0 7 1 ) ，研究数控机床热误差的检测、建模和实时补偿等技术，提高数控机床的加工 精度。 中国已经成为世界制造业的中心，机械制造技术取得了明显进步。机械制造工业肩负着为 国民经济各部门提供现代化技术设备的任务，而机床工业则是机械制造业的基础，一个国家机 床工业的技术水平在很大程度上取决于这个国家的科学技术水平。精密和超精密加工技术是现 代机械制造中最重要的组成部分和发展方向，并成为提高国际竞争能力的关键技术。随着生产 过程自动化的飞速发展和精密加工的广泛应用，对数控机床加工精度的要求日益提高。尤其是 柔性制造系统( f m s ) 和柔性制造单元( f m c ) 提出了机床加工过程中对各种误差的自动监控 和自动补偿问题。 一般地说，数控机床的不精确性是由以下原因造成：( 1 ) 机床热变形误差；( 2 ) 机床零部 件和结构的几何误差；( 3 ) 切削力引起的误差；( 4 ) 刀具磨损误差：( 5 ) 其他误差源，如机床 轴系的伺服误差，数控插补算法误差等【l 】。在机床的各种误差源中，机床的热误差和几何误差 成为影响系统加工精度稳定性的关键因素。机床的几何误差主要来自机床的制造缺陷、机床部 件之间的配合误差、机床部件的动、静变位等。机床热误差是由于机床内外热源的作用而使机 床组成部分发生热变形而导致的。大量研究表明，热误差是占机床总误差的4 0 9 6 7 0 ，而且， 机床精密度越高，热误差占总误差的比例越大，并且随着制造技术的提高，几何误差得到了有 效的控制和补偿，热误差已经成为影响机床加工精度最主要的误差源【2 】，因此减小热误差对提 高机床的加工精度至关重要。 减小机床热误差的方法主要有三种：温度控制法、热误差预防法和热误差补偿法【孔。温度 补偿法不容易实现，因为温度控制总是滞后于温升的，只有发生了温度变化以后，控制机构才 会发生作用。热误差预防法采用的是“硬技术”，在机床设计制造阶段采取措施( 如结构优化和 运用性能好的材料等) 来提高机床的热稳定性，虽然能减小原始误差，但是靠提高机床设计、 制造和装配精度来满足机床的精度有很大的局限性，而且会造成系统成本大幅上升，实践分析 表明，当加工精度要求高于某一程度后，利用误差预防技术来提高加工精度所花费的成本按指 数规律增长。热误差补偿法采用的是“软技术”，在不提高机床自身原有加- 丁精度的条件下，人 为地造出一种新的误差去抵消或减弱当前的热误差，通过分析、建模误差源，计算空间位置误 数控机床热误著补偿技术研究 差，再通过补偿器加上软件程序将该误差实时地反馈到控制系统中，改变实际坐标驱动量来修 正误差，从而使被加工工件获得有可能比母机更高的精度。采用热误差补偿法与提高机床本身 精度或购买高精度机床相比较，大大降低了费用，具有显著的经济效益。 热误差补偿技术对于提高数控机床加工精度具有很大的现实意义，实现了进一步提高我国 机床加工精度的愿望，非常适合于我国制造工业底子薄、机械制造精度不高、中低档数控设备 比率大的现状。随着对数控机床的要求越来越高，数控系统逐渐向开放式系统发展，都开发了 具有外部数据输入功能的接口，为实施热误差补偿提供了条件，比如f a m 7 c0 i 系列、f a m i c 3 1 i 、西门子8 4 0 d 等。 1 2 热误差补偿技术的研究现状 1 2 1 温度与热误差检测技术 温度和热误差检测技术是热误差补偿技术的基础，通过检测深入了解和分析机床热误差及 其误差源，掌握热误差的的性质、产生规律和对加工精度的影响，准确地测量机床的温度和热 误差是进行热误差建模和补偿的先决条件，很多研究人员已经在这个领域进行了深入广泛的研 究工作，开发出很多有效的温度和热误差检测方法。温度的检测主要是通过接触式温度传感器 粘贴在机床部件表面来测量机床部件温度，温度传感器主要选用热电偶、铂电阻和数字温度传 感器等。热误差检测的方法主要有双圆盘法、单圆盘法、球杆法等，这些都属于机床精度的间 接测量法。直接测量法是对各种零件进行加工试验，即通过测量加工零件的精度检验热误差。 然而，这种情况下，很多因素都影响试验的结果，如材料属性、冷却液和刀具磨损等【钔。 l 0 等【5 】在车削中心上不同位置安装了8 0 个热电偶，在需要识别的1 1 个误差中，8 个使用 激光干涉仪测量，3 个主轴热误差使用非接触电容传感器测量。几次空切削试验基本包括了大 多数遇到的热条件，所有1 1 个误差通过测量被识别出来。a t t i a 等【6 】研究了用热电偶测量机床表 面温度的影响因素，如热电偶和热源之间的距离、表面涂层、热电偶和表面间的接触性能等。 c h 纠7 l 在机床上布置2 3 个热电偶，用1 6 位刖d 转换器以2 秒的采样周期对2 8 个通道进行 数据采集，用h p 激光干涉仪和电子微分仪测量主轴的热误差。s e 衄哥h 孤y 锄g 等【8 】利用球杆 系统代替传统的电容位移传感器实现了机床主轴的热误差和几何误差的同时测量。 浙江大学现代制造工程研究所傅建中等1 9 - 1 0 l 以刖叉m 开发板、d s l 8 8 2 0 数字温度传感器为 核心开发了1 6 通道的温度测量系统，并利用高精度c c d 激光位移传感器和涡电流位移传感器， 对数控机床的轴向和径向热变形进行了测量。淮海工学院的杜玉玲等【1 1 】开发了基于单片机和数 字温度传感器的机床温度场测量系统，对于恶劣环境、干扰源多等情况的现场温度检测具有特 长上海交通大学的李静敏【1 2 】等硬件采用端面式铂电阻温度传感器、n s w d c 电感式位移传感 器、高增益a d 数据采集卡，软件使用面向对象的可视化高级编程语言b o r l 锄dc + + b i i i l d e r 作 2 ， j l 南京航空航天大学硕士学位论文 为开发工具，开发了4 8 通道的温度与热误差数据采集系统。天津大学的商鹏等【1 3 】基于球杆仪 检测原理提出了一种检测方法一球杆仪法，采用球杆仪圆轨迹方法对影响加工精度较大的主 轴与z 导轨的平行度误差、标尺热变形导致的比例误差以及滚珠丝杠变形导致的周期性误差等 热误差项进行了模拟仿真，通过球杆仪检测试验，测得了机床空载时的主轴端热漂移误差。南 京航空航天大学的徐金忠等【1 4 】硬件以铂电阻温度传感器和p c i 总线数据采集卡为核心，软件开 发以n i 公司的虚拟仪器( l a b v i e w ) 为平台，开发了高精度、多通道的温度与热误差检测系 统，实现了温度和热误差信号的自动采集。 1 2 2 温度测点优化技术 温度测点的优化技术是热误差建模技术的前提和关键，温度测点的选择适当与否，不仅影 响传感器的使用数量，而且对模型的预测精度影响很大。在几乎所有应用的热误差补偿系统中， 温度传感器位置的确定在一定程度上是根据经验和试凑的方法来决定的。温度测点优化是热误 差补偿技术研究中独有的内容。 m h a t t i a 等【峙l 采用有限元方法分析机床的温度场，将温度场划分为多个比较规则的单元， 通过温度场仿真和相关性选择，预测温度测点的最优数量和最佳分布。这种方法可以应用于各 种机床上而不受到机床结构变化的影响。v e l d h u i s s c 等盯对一台五轴加工中心选择与热误 差相关性最高的热电偶信号进行建模。经试验证明，模型沿z 轴方向的预测精度可以达到 o 0 2 m m 。d a k r u l e 、i c l l 7 】利用高斯积分法对整个机床温度场进行分析，将温度传感器作为高斯 积分点，由于预先确定温度测点的数量和位置，所以避免了为获得机床温度场所需的大量的测 量时间，通过此方法建立的热误差模型预测精度较高。j i n h y e o n l e e 等n 肿在相关性分组和连续 线性回归分析的基础上，以最小残差平方和m s e 作为选择温度变量的依据，既减少了温度测点 的数量，又提高了误差模型鲁棒性，降低了环境因素对热误差模型预测精度的影响。c h l o 等u 引在传统温度关键点辨识方法的基础上作了改进：建立多个热误差分量的模型，将温度传感 器分组搜索、寻优，利用相关性分组、典型变量搜索和分组搜索等方法，达到优化温度测点的 目的。 天津大学张奕群等采用模糊聚类分析方法对机床热变形建模及补偿技术中的温度测点进 行选择，以j c s 0 1 8 a 立式三轴加工中心为试验对象，结果表明该方法能够在保证模型预测精度的 前提下有效地减少温度测点数量。浙江大学傅建中等幢采用主因素策略以及互不相关策略对数控 铣床上的1 4 个测温点进行了优化最终选出了4 个测温点进行热误差补偿建模。华中理工大学的李 小力等堙钉运用模式识别中的逐步回归法辨识反映机床热态特性的热敏感点，由于回归模型的残差 较小，能以较高的精度反映热误差。浙江大学的曹永洁等心3 1 采用主因素策略和互不相关策略对机 床1 4 个温度测点进行了布点优化，最终选出4 个优化后的温度测点，并验证了温度测点优化的必 要性。上海交通大学的窦小龙等瞳棚从理论上分析了机床主轴温度场与热变形的动态特性，证明了 3 数控机床热误差补偿技术研究 机床主轴上最佳温度测点的存在，并采用黄金分割法对最佳温度测点的位置进行优化，建立了线 性函数，精确预报主轴热误差。上海交通大学的杨建国等乜5 1 和西南交通大学的马术文等瞳刚根据 变量分组理论将温度测点进行分组，最后依据多元测定系数确定温度测点的方法，减少了辨识时 间，而且避免了温度测点之间的耦合，提高了模型精确性和鲁棒性。上海交通大学的李永祥等旺 针对热误差模型的温度场分布问题，借用灰色理论的关联度分析方法，对热传感器的优化布点进 行了研究，从原先的1 6 个温度测点减少到仅使用其中4 个进行热误差建模。 1 2 3 热误差建模技术 、 在机械加工中，机床加工精度最终是由机床上刀具与工件之间的相对位移决定的，刀具与 工件之间的相对位移误差需要通过一定的数学方法来计算获得。热误差建模就是建立温度测点 温度和热误差之间的数学关系，在实时补偿时能够准确的预报热误差。 主轴热误差可表示为温度变化的多项式形式，为热误差的补偿建模提供了一条思路。 a b a l s 龇1 0 【2 b 】在把热误差表示为温度的函数的基础上，进一步建立了温度与坐标点的函数，最 终建立了与位置相关的热误差模型，这个模型是三坐标的二阶多项式。新加坡国立大学 r r 丑m e s h 等【2 9 】使用支持向量机( s 旧算法建立机床热误差补偿模型，结果表明其补偿效果要优 于基于神经网络的模型补偿效果。j i l l h y e o nk e 等【3 0 】提出了一种基于统计优化对机床热误差建 模的方法，运用变量相关性和线性回归建立热误差模型，实验结果表明运用此方法进行建模缩 短了建模时间，提高了模型的准确性和鲁棒性。j j e d 删e w s l 【i 和s y w 0 n 掣3 1 ，3 2 1 使用有限元方 法计算了机床温度场分布，然后导出机床各个方向的热变形。该方法大大节省了用传统方法建 模的时间，缺点是只能采用离线的方法对热误差进行预测，不能实现实时热误差补偿，但可以 根据有限元分析的结果在热变形量大的部件处进行结构和参数优化。加拿大m c m a s t e r 大学智能 机器及制造研究中心开发了五轴加工误差补偿的神经网络策略，采用仿真数据和实测数据对神 经网络进行训练建模1 。k 0 等m 1 研究了温度变化造成的机床结构的热弯曲对机床主轴热变形的 影响。y a n g 等把引使用动态神经网络的方法对热造成的非线性、非稳态的误差进行建模。f r a s e r 等汹1 利用逆热传导问题通过温度测量反求热负载来预测热变形而提出了温度一热误差关系的综 合模型。 天津大学张奕群等b 刀采用动态线性模型来提高机床热变形误差的预报精度，提高机床热误 差模型的预报精度。清华大学项伟宏等啪1 以高速卧式镗铣加工中心为研究对象，采用逐步回归 方法建立了多元线性回归模型西南交通大学的唐治等1 对采用神经网络模型预报机床热误差 进行了深入分析，提出了具有反馈输入环节的动态神经网络模型，并对基于该模型的机床热误 差的智能预报进行了计算机仿真分析。天津大学岳红新等m 1 基于多体系统理论，提出了四轴加 工中心的热误差建模理论和方法，并且实现了软件实时补偿。上海交通大学吴昊等h ”采用b p 神经网络和粒子群优化算法( p s o ) 相结合的优化方法建立了热误差和切削力综合模型，b p - p s 0 4 南京航空航天大学硕士学位论文 建模方法改善了网络模型的收敛速度和预测精度。浙江大学傅建中等“i 结合模糊逻辑与神经网 络的优点，提出精密机械热动态误差的模糊神经网络模型，并在多变簧模糊模型后件结构与参 数辨识中提出了主分量建模的新方法。上海交通大学杨建国等h 副提出了一种机床热误差补偿模 型在线修正或在线建模的方法，所有模型结果不是一个固定的公式，而是由几个简单公式组成 的一个确定算法，在得出预测值的同时，不断根据新数据修正补偿模型本身。李永祥等h 训基于 机床热误差的产生机理及其表现形式的复杂性，综合时序分析方法建模和灰色系统理论建模的 优点，研究了一种智能混合预测模型。南京航空航天大学的徐金忠等哺研究了基于最小二乘的 多元线性回归、b p 神经网络和l 氇f 神经网络三种热误差建模方法，并比较了各模型的热误差 预测精度，得出了三种热误差模型不同的适应条件。浙江大学的吴雄彪等耵提出了基于贝叶斯 网络，用图论的语言系统地描述产生热误差的各种因素间的因果依赖关系，在此基础上进行概 率推理，按照概率论的原则对各因素间的内在关联进行分析，根据热误差值的区域概率分布建 模，试验验证了该模型具有表达直观、建模精度高和自适应的特点。 1 2 4 热误差补偿技术 在热误差补偿过程中，热误差补偿系统根据反馈的温度值和热误差模型预测机床的热误差， 并补偿该误差。热误差补偿的方法主要分三类：第一类是基于加工程序修改的补偿，第二类是 基于数控系统本身进行误差补偿，第三类基于控制器的补偿。 基于加工程序修改的补偿是通过对加工零件的轮廓尺寸的测量，开发数控程序修改的软件， 对数控程序进行实时修改，实时补偿热误差。天津大学的刘又午和章青等m 1 基于w i i l d o 粥平台 开发了误差补偿软件，并对软件开发中的关键技术进行了研究。南京航空航天大学的王冉等h 开发了零件加工尺寸在线检测系统，实现了自动测量、误差计算，并通过对n c 程序进行调整 实现误差的补偿。 刘志兵基于西门子8 4 0 d 系统温度补偿功能，利用p l c 程序将测量到的温度偏差值送至n c 插补单元，参与插补运算修正轴的运动实现了轴定位误差的温度补偿h 羽。h e i l d e n h a i ni t n c 控 制器也具有温度补偿功能，通过读入温度值预测热误差并进行补偿。这种基于数控系统的补 偿通过设置不同温度下误差曲线和滚珠丝杠的热膨胀系数和来实现，但实际上机床热误差是很 难通过简单的设定补偿系数来进行准确预测的。 基于控制器的补偿主要有两种方法：反馈中断法和原点平移法嗍。反馈中断法通过将相位 信号插入伺服系统的反馈环而实现误差补偿。补偿计算机获取编码器的反馈信号，并将计算出 的机床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。浙 江大学的傅建中等1 基于p m a c 多轴控制器开发了机床主轴热误差软件补偿系统，通过对p m a c 多轴运动控制卡二次开发，将误著补偿值修正到刀具运动轨迹中，从而实现热误差的实时补偿。 北京机床研究所研制了智能补偿功能板，通过总线结构将补偿功能板直接插入f a n u c6 眦数 数控机床热误差补偿技术研究 控系统扩充槽，实现机床热误差、运动误差和承载变形误差的白动补偿瞰。原点平移法是指补 偿计算机将计算出的机床空间误差作为补偿信号送至c n c 控制器，通过i o 口平移控制系统的 参考原点，并加