（机械制造及其自动化专业论文）丝杠磨床在线误差补偿系统设计与研究.pdf

摘要 丝柯磨床在线诌 摘要 i i i ii ii ii ii ii i il luu i y 1919 3 2 0 本文以江苏省学者攀登计划项目“精密数控螺纹磨床智能磨削方法与关键技术研 究为背景，针对当前丝杠磨床误差在线检测与补偿技术现状的不足，提出基于时间序 列预报和自校j f 反馈控制的误差补偿方法，解决国内幺幺杠磨床加工精度偏低的问题，提 高滚珠丝杠磨削的质量和精度水平。 通过分析丝杠磨床误差的种类及其产生的原因，认为丝杠磨削加工的误差种类繁 多，因素复杂，不利于单独测量和补偿，提出一种“黑盒”理论，即把所有影响丝杠磨 削加工导程和行程的误差看作不知内部结构的“黑盒 ，只对最终误差补偿。构建了系 统预报补偿总体方案，搭建了实验系统，介绍了实验系统的功能和系统工作流程。 误差序列预报是本文的核心，通过分析丝杠磨削误差特性，从实用性和建模统一性 原理出发建立了平稳序列模型和削除趋势的非平稳序列模型分别对两种特性误差预报， 采用加权最小二乘法对模型参数进行估计，导出由低向高定阶次并判定是否合适的模型 阶次辨识方法，提出对序列模型输出进行适时修正的误差预报方法，根据反馈补偿控制 要求，建立了最小方差自校正的误差补偿模型。 构建了预报仿真软件和实验台实时补偿控制软件系统，对本文所提方法进行验证。 预报仿真采用大量的多种工况下的丝杠磨床；o h - r - 误差数据，得到的结论具有普遍的意 义，仿真分析了不同加权系数和不同采样点数对预报结果的影响，得出最优取值范围， 为真实系统选择参数提供依据；在实验台上进行的补偿控制实验验证了本文所提出的预 报补偿控制方法的可行性，误差预报精度在8 0 以上，平均补偿率也在8 0 以上，补偿 后误差减小6 4 以上，证明了其可以显著提高加工精度。 关键词：在线检测，误差补偿，预报模型，参数估计 a b s t r a c t t h i sp a p e rb a s e do nt h e b a c k g r o u n do fj i a n g s up r o v i n c es c h o l a r sp l a np r o j e c t s t h e i n t e l l i g e n tg r i n d i n gm e t h o d sa n dk e yt e c h n o l o g i e so fp r e c i s i o nc n ct h r e a dg r i n d e r a i m i n g a tt h ep r o b l e mo ft h r e a dg r i n d e re r r o ro n l i n ed e t e c t i o na n de r r o r c o m p e n s a t i o nt e c h n o l o g y , a n e r r o rc o m p e n s a t i o nm e t h o dw h i c hi sb a s e do nt i m es e r i e s p r e d i c t i o na n ds e l f - a d a p t i v e f e e d b a c kc o n t r o li sp u tf o r w a r d s o l v i n gt h ep r o b l e mt h a tt h em a c h i n i n gp r e c i s i o no f d o m e s t i c b a l ls c r e wg r i n d i n gi sal i t t l e l o w i m p r o v eb a l ls c r e wg r i n d i n g sq u a l i t ya sw e l la si t s p r e c i s i o nl e v e l a f t e ra n a l y s i st h et y p e sa n dc a u s e so fb a l ls c r e wg r i n d i n ge r r o r , t h i n kb a l l s c r e w g r i n d i n gm a c h i n ee r r o r sh a v ec o m p l e xo ff a c t o r s ，t h e r ei sn on e e dt om e a s u r e sa n d c o m p e n s a t i o ns e p a r a t e l y , a “b l a c kb o x ”t h e o r yi sp u tf o r w a r d ，t h a ta l lt h ei n f l u e n c eo f g r i n d i n gt h ep r o c e s s i n ga st h ep o l e s ，a n dt h ee r r o ra st h e ”b l a c kb o x ”w h i c hd o n ，tk n o wt h e i n t e r n a l s t r u c t u r e ，o n l yc o m p e n s a t ef o rt h ef i n a le r r o r m o r e o v e r , b u i l das y s t e m i co v e r a l l d e s i g n ，s e t t i n gu pe x p e r i m e n ts y s t e m s ，a n di n t r o d u c i n gi t sf u n c t i o n sa sw e l la ss y s t e mf l o w e r r o rs e r i e sf o r e c a s ti st h ec o r eo ft h i sp a p e r b ya n a l y z i n gt h ec h a r a c t e r i s t i co ft h eb a l l s c r e wg r i n d e re r r o r , f r o mt h ep r a c t i c a la n dt h eu n i t yp r i n c i p l e ，m o d e li s e s t a b l i s h e db a s e d t r e n ds t a t i o n a r ys e r i e sa n dt h es l a s h i n go fn o n s t a t i o n a r ys e r i e sw h i c ht of o r e c a s te r r o r sa r e b e l o n g e dt ot h et w oc h a r a c t e r i s t i c sw e i g h t e dl e a s ts q u a r em e t h o dt oe s t i m a t et h em o d e l i n g p a r a m e t e r d e r i v i n gt h em o d e lo r d e rn u m b e ri d e n t i f i c a t i o nt h e o r yw h i c ho r d e r sn u m b e rf r o m l o wt oh i g ha n dj u d g e sw h e t h e ri t ss u i t a b l eo rn o t s e taf o r e c a s tm e t h o dt h a tt i m e l ya m e n d e d t h em o d e l so u t p u t a st h er e q u i r e m e n t st h a tb a s e do nf e e d b a c kc o m p e n s a t e ，b u i l d i n gal e a s t s q u a r er o o ta u t o a d ju s tc o n t r o lm o d e l s e t t i n gu pap r e d i c t i o ns i m u l a t i o na n dr e a l t i m ec o m p e n s a t i o nc o n t r o ls o f t w a r es y s t e m ， t ov e r i f yt h em e t h o d sm e n t i o n e d p r e d i c t i o ns i m u l a t i o na d o p t e da b u n d a n tp r o c e s s i n gd a t ai n a l lc a s e s ，s ot h ec o n c l u s i o nh a su n i v e r s a ls i g n i f i c a n c e t h es i m u l a t i o nh a s a n a l y s i st h e i n f l u e n c et h a td i f f e r e n tw e i g h t i n gc o e f f i c i e n ta n dd i f f e r e n ts a m p l i n gp o i n t sb r o u g h tt ot h e p r e d i c t i o nr e s u l t s ，t h eb e s tv a l u er a n g ei sg o t t e n ，i tp r o v i d e sab a s i sf o r r e a ls y s t e mt oc h o o s e p a r a m e t e r t h ec o m p e n s a t i o nc o n t r o le x p e r i m e n t sv e r i f i e dt h a tt h ep r e d i c t i v ec o m p e n s a t i o n c o n t r o lm e t h o dw h i c hi nt h i sp a p e ri se f f e c t i v e ，e r r o r so fp r e d i c t i o na c c u r a c ya b o v e8 0 。 a v e r a g ec o m p e n s a t i o nr a t ew a sa l s oa b o v e8 0 ，a f t e rc o m p e n s a t e dt h ee r r o rd e c r e a s e sm o r e t h a n6 4 ，a n dp r o v e dt h a ti tc a ni m p r o v et h em a c h i n i n g p r e c i s i o ng r e a t l y k e yw o r d s ：d e t e c t i o n e r r o r sc o m p e n s a t e f o r e c a s tm o d e l p a r a m e t e r se s t i m a t i o n i l 硕上论文缝打磨床在线误差补偿系统设计与研究 1 绪论 1 1 引言 机床朝着提高效率的自动化、数控化方向发展的同时，精度已经成为制约其发展的 主要瓶颈【1 1 。目前，我国高档数控机床的关键零部件主要以进口为主，这无疑限制了我 国装备制造业特别是机床工业的发展。因此，研究如何提高机床核心零部件的加工精度， 打破境外对高端机床的技术垄断，为国内核心制造装备及其它一些关键应用领域提供高 精度的零部件具有重要的战略意义1 2 1 1 4 1 。 滚珠丝杠副作为旋转运动和直线运动转换的滚动功能部件，常被用作定位、传动和 测量的基准元件【5 】，如图1 1 所示。滚珠丝杠副在精密机床、工业自动化装备、重型机 械及核电设备等重要场合有着广泛的应用。在高精密机械领域，滚珠丝杠精度的高低直 接影响整机性能的好坏，因此提高其精度具有重要的工程价值和科学意义。精密磨削是 滚珠丝杠的终极加工工序，磨削精度的高低直接影响滚珠丝杠的质量和精度水平，所以 提高丝杠磨床的磨削加工精度是提高丝杠精度的关键之所在1 6 j 。 图i 1 滚珠丝杠副 丝杠磨削过程中有多种误差直接影响其加工精度，主要包括：机床本体的几何误差； 机床部件的运动误差；机床零件的装配误差；机床夹具误差；机床关键部件的热变形误 差；刀具切削力引起的误差；砂轮由于磨损而引起的振动误差及伺服驱动系统与数控系 统引起的误差等。其中，热变形、力变形和几何误差是加工误差的三个重要来源，它们 分别占到3 0 - - 5 0 、2 0 - - - 4 0 和1 0 - 3 0 ，当然，具体比例还与加工工况、外部 环境的变化及机床的使用情况有关，但上述三种误差共占到9 0 左右【7 儿引。丝杠磨削过 程影响冈素复杂，很难实现对系统中每种误差都进行精确补偿控制的方法，即使能分别 进行精确控制，都施加在同一个系统上也会使得控制系统过于庞大而出现稳定性与可靠 性不高，同时补偿的方法也不能完全解决滞后与补偿后速度波动的问题。 本文从实际出发提出的误差补偿方法可以不必单独考虑某种误差，而是把所有影响 丝杠导程或行程误差的因素看成是一个不知内部结构的“黑盒”，对所有因素的作用而 产生的工件行程或导程误差进行补偿，采用时间序列模型对系统未来时刻误差进行预 报，利用自校正方法进行反馈补偿控制，避免出现补偿后速度的波动，以计算机软件实 现补偿控制算法，使控制系统的核心从机械机构和硬件电路转移到计算机内部的软件系 统中，只需要编制不同的程序代码实现不同的控制策略就町以改变误差的补偿控制方 1 绪论硕t 论文 式，大大减少了控制误差的成本且可以显著提高机床的加工精度。 1 2 误差补偿技术 1 2 1 提高机床精度的常用方法 误差预防和误差补偿是最为常用的提高机床精度的方法【9 】。误差预防是从零件设计 阶段就开始考虑如何减小或消除误差，一般是通过提高机床零部件的设计加工精度或利 用机构的某些特性( 如弹性变形) ，并试图减小噪声、振动、温升及其它一些外部扰动 来设计机床零部件，这种方法可以在一定程度上提高机床的加工精度，但这不仅要花费 很大的代价，而且对机床的精度提高的幅度有限，这种方法固然不可抛弃，但还要充分 利用当今的各种先进技术，如高精度的检测手段、计算机控制技术、通信技术、运动控 制技术、信息处理技术、光电子技术等，把它们综合应用到误差补偿技术中，实现能够 实时根据具体工况进行控制的误差补偿技术，误差补偿技术与误差预防技术互相补充， 成为高精度加工的两大技术支柱。 1 2 2 实时在线误差补偿技术 通过检测机床的加工误差，分析误差的特点和规律，统计、归纳误差的特性及变化 趋势，并据此建立能够较为准确的描述系统的数学模型，利用此模型人为地创造一个误 差，这个创造出来的误差满足与系统在未来某时刻的真实误差大小相等方向相反，用这 个人为误差作为一个补偿值，把真实的误差抵消或者减小以提高加工精度就是实时在线 误差补偿技术【1 5 】。 误差补偿技术是随着精密超精密加工技术的发展而发展起来的，在机械加工领域 中，误差补偿技术研究的主要目的是通过高精度的测量手段检测出系统的各种误差，这 些加工误差的特性是基本确定的，通过统计、归纳、分析来确切掌握误差源及误差产生 的规律，可以利用这些规律在不改变机械结构的情况下通过加入补偿环节( 软件或硬件) 使误差得到减小或消除。当前，几乎所有的高精度加工及精密测量都把误差补偿作为提 高其精度的关键误差补偿技术担负着技术发展的先导和产品质量提高的双重使命【埘， 1 2 3 机床误差补偿技术的可行性与特点 误差补偿技术涉及多种学科与技术，如光电技术、传感技术、计算机技术、信息技 术、运动控制技术、信号处理技术等，随着这些技术的快速发展，误差补偿技术也在不 断通过采用最新技术改变补偿途径。机床朝着自动化、高效化、数控化、集成化、智能 化方向发展的同时，其误差补偿方式也发生了深刻的变化，由机械式补偿向算法补偿发 展，由硬件补偿向软件补偿发展，由单一补偿向综合补偿发展，由离线补偿、在线修正 的静态补偿向实时在线动态预补偿发展。一般机床都有误差检测系统与运动控制系统， 2 硕上论文 丝杠磨床在线误差补偿系统设计与研究 部分还有计算机控制系统或数控系统，即使有些机床没有这些系统与部件，也都可以通 过机床改造来增加，所以无论足数控机床还是普通机床都可以具有误差测量系统和运动 控制系统，这样就可以利用误差补偿技术来提高所有机床的精度，特别是当今的一些用 于误差补偿的理论算法与其它相关最新技术都可以借助必要的硬件设备实现，所以误差 补偿技术用于补偿机床误差的硬件条件完备，理论算法及软件技术可行。 误差补偿技术利用当今最先进的其它学科的技术提高机床加工精度，降低成本，使 系统误差补偿更具柔性，其特点如下： ( 1 ) 对机床加工精度提高的幅度很大。因为是采用高精度的检测器件并实时在线 检测误差，所以可以精确得到机床加工时的各种误差，为补偿提供准确的数值。采用当 今先进的计算机控制技术，把先前由机械或硬件控制的补偿机构转移- n i + 算机应用软件 中，利用先进的智能算法实现良好的控制，可以显著地提高加工精度。 ( 2 ) 具有显著的经济效益。软件控制代替硬件补偿，理论算法代替机械机构，使 得控制系统不再需要大量零件，节省了成本，提高了可靠性。 ( 3 ) 理论算法的通用性。误差补偿理论既可用于数控机床的升级也可以用于普通 机床改造，还可以为研究新型机床提供理论依据。 ( 4 ) 可以提高整机系统的精度。即使机床零部件本身的精度很高，也不可能完全 避免装配误差，另外由于加工工况的复杂性，外部环境对机床的影响也难以完全考虑， 采用误差补偿技术就可以综合考虑各种因素，减小整个系统的误差。 1 2 4 误差补偿技术的发展趋势 t 误差补偿技术是- - i - 1 涉及面广，不断吸收其它各种技术的交叉学科，其它学科的发 展也在不断的推动误差补偿技术的进步。误差补偿技术的发展趋势如下： ( 1 ) 向着实时性的方向发展。可以利用先进的误差检测技术快速实时的检测出系 统误差，利用计算机技术可以在极短的时间内对数据进行处理，同样由于现代电机驱动 技术的发展，使得电机控制更具柔性，这样从误差检测到反馈补偿可以在很短的时间内 完成，使误差补偿技术向着实时性的方向发展l l 训。 ( 2 ) 向着智能化的方向发展。误差补偿技术不断采用新领域的最新技术，使其更 具智能，如通过分析误差产生的各种原因对具体的误差源拟采取具体的算法加以补偿控 制，还可以使用智能方法或算法对误差进行复杂的数据处理，对误差进行预测以便预补 偿，然后使用不同的参数对补偿量进行调节。 ( 3 ) 向着软件化的方向发展。机械式补偿逐渐被淘汰，硬件电路的补偿方法由于 抗干扰能力不强也不能得到更好的发展，而计算机软件算法补偿使用灵活，能适应系统 环境的变化，所以是误差补偿技术的又一个发展方向。 i 绪论 硕士论文 1 3 丝杠磨床误差补偿技术的研究现状 1 3 1 国内丝杠磨床误差补偿技术现状 ( 1 ) 机械式静态误差补偿方法 最早的丝杠磨床误差补偿方法研究开始于2 0 世纪5 0 年代，由于科学技术水平的限 制，当时是以机械式静态补偿为主，主要有补充挂轮法，机械校正尺补偿法，液压式校 正补偿系统等，其中补充挂轮法如图1 2 所示，此法常用于补偿热误差。 图1 2 补充挂轮法误差补偿不意图 这种方法是在预先知道加工丝杠累积误差的情况下，通过更换专门的螺距挂轮对在 加工过程中要产生的误差进行补偿，这种方法对于由于工件材料不均匀和外界干扰等引 起的偶然误差、控制系统的误差及砂轮磨损引起的误差等不起任何作用，但对于热误差、 周期误差和机床零部件误差而引起的工件螺距误差可以起到补偿作用。挂轮齿数的计算 公式如下 垡生：些 ( 1 1 ) = 一 ilij b d l 其中， ：缸为在全长范围内的行程误差。 机械校正尺误差补偿方法的原理如图1 - 3 所示。从图中可以看出，这种补偿方法需 要在螺母上固定相应的触头，并根据误差在整个行程上的分布在校正尺上刻画出与误差 共轭的补偿曲线，如图1 3 ( c ) 所示，使触头压紧到补偿曲线上，当加工过程中螺母转动 时，其上的触头就沿着补偿曲线移动，触头根据校正足七补偿值大小进行微小的移动带 动螺母转动，使与其固定的工作台做微小的补偿运动，只要工作环境及相关参数不变， 这种方法可对有效行程误差做很好地补偿，图中机械校正尺倾斜一个角度是为了对全长 4 ( a ) 硕上论文缝 i 磨床在线误差补偿系统设计与研究 ( b ) 工件 ：防= 嘲咖咖帆咖啪咖啪嗽咖m 嘲m 哪啪哪口司 图1 3 机械校正尺补偿示意图 范围的累积误差进行补偿【1 6 1 。 液压式校正系统补偿方法如图1 4 所示。 油缸 ( c ) 杠 图1 4 液压式校正方案原理图 从图中可以看出，这种校正方法和机械校正尺的补偿原理是一样的，但实现方法 不一样，这种方法考虑了误差补偿过程中的灵活性，避免了触头磨损对误差补偿精度的 影响，而且左、右校正尺可以分别对正反行程进行补偿，用于提高效率。 ( 2 ) 基于硬件电路的误差补偿方法 随着科学技术的不断进步，机械式补偿法就不再适应现代制造业高精高速发展的要 求，2 0 世纪8 0 年代中期出现了采用先进的误差检测手段并用硬件电路进行误差补偿的 方法，出现了诸如北京机床研究所提出的丝杠磨床在线闭环反馈误差补偿系统i l 副，其原 理如图1 5 所示。 这种方法是采用圆光栅测量丝杠的角位移，利用激光干涉仪检测工作台的直线位 移，母丝杠与工件是联动的，即如果母丝杠的转动使砂轮架移动一个导程，这时工件也 应该转动一周，通过对比转角和直线位移数值就可以计算出工件的导程误差和行程误 差，实际实现中分别把圆周转角和直线位移的信号进行比相，比相之后再利用其结果进 行辨识方向，这样就可以判定是超前误差还是滞后误差，根据误差的方向来决定补偿机 构的动作，并由功率放大器产生信号驱动步进电机带动微位移机构，使丝杠上的螺母做 l 绪论 硕士论文 一个微小的位移来完成补偿功能，补偿之后可以磨削4 级精度的丝杠。 仪 图1 5 在线闭环反馈误差补偿方法 与此同时，华中科技大学也提出了基于t p 8 0 1 单板机的硬件电路的误差补偿方法， 这种方法在汉江机床厂成功地得到了应用，补偿原理如图1 6 所示。 磁 图1 6 基于单板机的误差补偿方法 由1 6 图可知，采用磁盘测鼍工件圆角位移，用磁尺和磁头测量工作台直线位移， 另外，又考虑了采用微位移传感器测量加工工件受热引起的温位移，其测量原理与闭环 反馈法是一样的，只是在数据处理时采用单板机，这样不仅可以测量误差的方向也可以 测量误差的大小，采用离散的勒让德多项式控制算法对误差进行计算，经过数据处理之 后输出的补偿信号是比较精确的，这种方法在应用于汉江机床厂的丝杠磨床改造后，可 以使加工丝杠提高1 个精度等级。 ( 3 ) 基于计算机软件的实时误差补偿方法 随着计算机的广泛应用，又出现了基于计算机软件技术的误差补偿方法，如图1 7 所示。这种方法除了采用更为先进的误差检测手段提高测量精度之外，更霞要的就是采 6 硕l 论文 缝 r 磨床佳线误差补偿系统设计与研究 用计算机计算和处理误差数据，计算速度高、实时性强，补偿机构采用脉冲马达，可以 光学传瘳器 图1 7 计算机实时控制误差补偿系统 较为精确地对小误差进行补偿，使误差补偿方式实现了从机构式及硬件电路式向计算机 软件补偿算法的转移，显著地提高了磨削加工精度。 另外，山东大学提出采用激光干涉仪测量直线位移，用圆光栅测最转角位移，用电 感测微仪测量温位移的误差测量方法，但其数据处理的控制部分不仅采用计算机，而且 还采用前馈控制方法，使系统具有超前补偿的功能；华中科技大学根据丝杠误差具有缓 慢变化的时变性质，利用迭代自学习算法对丝杠误差进行在线学习，获得合理的前馈控 制信号，不需要对系统进行精确建模，削弱了无重复性的干扰因素，始终保持良好的误 差补偿性能；华中科大还提出一种对丝杠加工传动链误差的动态特性分析结果进行智能 规则控制的实时螺距补偿法，通过模拟人类的逻辑推理、特征记忆和利用算法的在线辨 识功能，克服了不能精确建立丝杠磨削加工过程数学模型的缺陷，使控制系统有很强的 鲁棒性，取得了满意的效果；东北大学把神经网络控制技术和模糊控制结合起来并用于 - 、磨削控制系统中，使系统具有处理多输入多输出信号和非线性逼近的能力，综合处理多 种影响因素，提高了磨削精度。以上这些都是基于计算机的软件实现算法的补偿方法。 上面介绍了经典的丝杠磨床误差补偿方法，其中，最早的机械式误差补偿方法虽然 在当时科技发展水平的限制下起到了一定的作用，但它毕竟是离线修正、在线补偿，对 偶然误差没有补偿的作用，而且还要经常修配校正曲线，只能按预先设定的误差进行补 偿，不能根据具体情况实时更改补偿值。另外，这种方法对误差的补偿能力有限，不能 适应现代机床智能化、柔性化的需要，目前仅使用在老式的普通螺纹磨床上。后来提出 的实时硬件补偿及单板机补偿方法不仅使得误差补偿的精度提高了，而且补偿的速度也 提高了。但是，硬件电路抗干扰性比较弱，在补偿中经常出现问题。其它基于计算机的 7 l 绪论 硕七论文 理论算法补偿技术，充分利用计算机软件技术与智能算法，把补偿机构与补偿电路转移 到计算机内部，以软件的形式实现，使补偿系统更加集成，提高了系统的抗干扰能力， 从而使误差补偿具有更大的灵活性。 1 3 2 国外丝杠磨床误差补偿技术现状 日本学者在研究如何补偿丝杠磨床误差方面取得了一定成就，其中n s k 和t h k 两家 公司采用的计算机误差补偿控制系统最具代表性，系统以长光栅和圆光栅分别作为长度 和圆周方向的测量基准元件，利用多喷嘴淋浴冷却的方法控制热变形，使油温能稳定地 控制在2 0 。0 1 。c ，系统还考虑了由于补偿控制执行系统本身的延时作用导致的残留误 差对当前误差的影响，并进行一定的修正，其具体做法是首先测量出本次行程的当前位 置误差并与前次行程的同一位置误差作比较，得到本次应补偿量，输入控制电机，进行 驱动补偿，这样加工工件的导程误差与行程误差分别为1 3 1 5 p m 和3 5 p m t 5 l 。 国外比较典氆的还有美国m i c h i g a n 大学提出的j f 交投影实验与最d - - 乘辨识的建 模理论，其构建的柔性误差补偿方案得到了广泛地应用；日本人k a z u a k ii t o h 研制一种 能精确快速实现丝杠工作台定位的系统，系统由前馈控制与反馈补偿器组成，保证了系 统的平稳性与精确性，显著提高了磨削加工精度；波兰的o t a k a rh o r e j s 等人用有限元法 分析母幺幺杠的热误差变化情况，建立了数学模型，为补偿控制提供了理论依据；英国的 g h t e r m l 提出一种根据磨削状态、机理、材料类型和工况等确定知识经验库的专家系 统，用于对磨削误差状态进行预测和实时反馈，不断地修改控制参数，使总体控制效果 明显改善；韩国的j a e - s e o b 提出一种实时改变步长的b p 神经网络的智能控制算法，实 时对误差进行采集和模式识别，并对控制过程进行模糊逻辑优化，提高了丝杠的型面精 度和行程精度；美国的a t s h u s h i 在研究提高丝杠磨削加工误差时提出一种针对行程误 差，砂轮状态和加工实况进行过程优化建模控制的混和型智能系统，将人工智能应用到 丝杠磨削过程中，取得了满意的效果；美国的t o m o y a 所研究车削细长零件的方法成功 应用后经过改进又被应用于丝杠磨削，使加工过程中保持砂轮和工件相对位置不变，利 用一种特殊的伺服驱动支架控制超长丝杠的磨削，工件行程误差和热误差采用逻辑控制 和模糊优化的补偿控制方法，对超长丝杠加工精度提高显著： 。中：一t 4 课题背景和研究内容 课题是在江苏省创新学者攀登计划项目( b k 2 0 0 8 0 5 0 ) “精密数控螺纹磨床智能磨 削方法与关键技术研究”的背景下展开的。项目是在分析国内外丝杠磨削加工方法的基 础上，针对我国丝杠磨床存在的不足，提出研制一种新礁的具有自主知识产权的智能高 档数控丝杠磨床，打破境外对高档精密产品的技术萑断，提高丝杠等关键零部件的加工 精度和生产效率。 8 硕卜论文 丝杠磨床在线误差补偿系统设计与研究 项目的主要内容之一就是研究如何提高丝杠的磨削精度，课题采用基于时间序列预 报和自校正反馈控制的误差补偿方法，旨在建立智能磨削误差补偿系统及经验知识库。 其中要做的工作主要有：误差的检测，误差序列的建模，根据预报的误差对系统进行反 馈补偿控制，并对建立的补偿方案进行实验验证。研究内容如下： ( 1 ) 分析若干种用于丝杠磨床的误差补偿方法，针对课题的研究目标提出时间序列 预报方法和自校正控制方法。 ( 2 ) 对课题确立的序列预报法进行建模，并对模型的参数进行估计，对模氆阶次进 行辨识，对模型及参数的显著性进行检验，最后对预报进行适时修正。 ( 3 ) 对课题选定的自校正方法进行建模和参数估计。 ( 4 ) 对序列预报模璎和自校正控制模型进行编程，实现仿真程序，以便在仿真程序 中确定某些模型的参数。 ( 5 ) 在综合测量实验台上进行模型检验，实验台是用数控系统进行控制的，所以还 要实现工控机与数控系统进行实时通信。 通过完成以上任务，课题建立基于时间序列的误差预报模型和采用自校i e 方法进行 。 反馈补偿的控制系统，为智能数控丝杠磨床的高精度要求提供理论依据和实验基础。 1 5 章节安排 本学位论文分为六章，各章内容安排如下： 第1 章绪论。分析了提高滚珠丝杠加工精度的意义，介绍了当前国内外提高丝杠 加工精度所采用的一些方法。 第2 章误差在线检测与补偿系统设计。首先分析了丝杠磨床误差产生的原因和误 差的分类，介绍了所用行程误差测量方法，概述了一些控制方法及它们在提高机械加工 精度方面的应用，设计了系统的总体方案和实验方案并对实验硬件进行选型。 第3 章误差序列的建模及预报。首先简单介绍了时间序列预报分析，然后分别详 细地分析了误差数据的预处理，序列模型的初步辨识、模型的建立、模型的参数估计、 模犁的定阶、模型的显著性检验和适时修正预报。 第4 章误差的自校正反馈补偿控制。介绍了自校正控制方法，根据所研究内容的 特殊情况，介绍了自校正控制的必要性，对此控制方法进行建模和参数估计。 第5 章实验分析。根据前面建立的补偿控制模型，编制了两实验软件。仿真实验 用来确定了模型的某些参数并验证误差序列预报的可行性和预报效果。补偿控制实验验 证了本文所提出方法的可行性及其所能提高的精度水平。 第6 章总结与展望。总结性地介绍了本文的成果与不足，对后继工作提出了展望。一 9 2 误差在线榆测勺补偿系统设计硕士论文 2 误差在线检测与补偿系统设计 2 1 丝杠磨削加工误差分析 磨削加工丝杠时影响加工精度特别是行程精度的因素多种多样，如工件材料的不均 匀性、砂轮与工件之间的摩擦力、工件及其它零件的热变形、机床零件的精度水平、传 动系统的精度、外界环境的干扰等都不同程度地会影响工件的加工精度1 9 ，各种误差如 图2 1 所示。如第1 章所述，产生误差的主因是母幺幺杠及工件的热变形、力变形和传动 链误差。 丝 杠 磨 床 综 厶 口 误 差 = 产 磊磊 型 动态误差 偶然误差 机床几何误差 机床系统误差 工件系统误差 内部原因引起 外部原冈引起 t 轴到f 作台的传动误差 主轴和母丝杠轴向窜动误差 r ：件的安装定位误差 = = = = = = = = = = = = ：= = = = = = = = = = = ：= 工件台移动的不均匀性 母丝杠，t 作台的变形误差 土轴的热变形，砂轮磨损误差 工件热变形及r 件力变形 前道r 序的复映 室温，冷却油的变化 工件材质的不均匀 外界的振动下扰 室温，冷却油温度的变化 图2 1 丝杠加工误差因素分析图 丝杠磨削误差传递示意图如图2 2 所示。 螺距 图2 2 丝杠误差传动示意图 从图2 2 可知，丝杠加工过程一般是这样的：电机驱动机床母丝杠转动，由于母丝 杠上的螺母与工作台固定在一起，所以工作台沿丝杠轴向移动，当其移动一个导程时， 工作台上的砂轮架也移动一个导程，如果工件也同时精确转动一周，这样加工出来的工 硕士论文丝杠磨床在线误差补偿系统设计与研究 件就是无导程误差的，将其中的螺旋面按螺旋升角剖歼就应该为一斜面。但是实际中， 由于前面介绍的各种因素的影响，使砂轮架移动一个导程时工件转动的角度不是精确的 一周，就产生了导程误差，如图2 - 3 所示。导程误差可能有如系统不稳定引起的周期误 差，如图2 3 ( a ) 所示；或者由于母丝杠、主轴、传动齿轮及其它一些零件的轴向窜动引 起的相邻误差，如图2 3 ( b ) 所示；还有可能是由于工作台运动的不稳定、机床本身的振 动及外界的干扰等产生的偶然误差，如图2 3 ( c ) 所示。 卜j 血l 一 c a ) - 1 ：件螺距的周期误差( b ) 工件螺距的相邻误差( c 一) 工件螺距的偶然误差 图2 3 丝杠的螺距误差示意图 当然，在工件全长范围内也有一个有效行程的误差，也就是行程累积误差，如图2 4 所示。 图2 4 丝杠的累积误差示意图 虽然引起误差的因素很多，误差的特性各异，占的比重也不相同，但它们最终都是 反映在丝杠的导程和行程误差上，所以在进行误差处理时就可以综合地考虑各种误差而 没有必要分别补偿，就是把系统看成是一个不知内部结构的“黑盒”，其中产生的误差 组成不用研究，只关心由这些误差影响而产生的行程误差，最终只针对行程误差做补偿。 2 2 丝杠磨床误差在线检测方法： 测量丝杠磨床误差时是测星加工工件的导程或行程误差，即综合考虑所有影响导程 与行程的因素所产生的结果，而不是分别测量每种误差，只关注实际导程与理论导程的 误差、砂轮架行程与工件转过圈数之间差值的行程误差【4 5 1 。实际中是通过测量砂轮架的 实际位移和工件的转角位移得到的，其测量原理如图2 5 所示。 由图2 5 可以得到丝杠的行程误差 ：z 一三r ( 2 1 ) 2 石 2 误差在线检测与补偿系统设计 硕上论文 z ， a 才i 厂、 旦7 2 j r 7 e 一 图2 5 测量【件误差不恿图 式中丁代表加工工件的导程，z 是测星系统的位移，9 是加工工件的转角位移。 假定工件螺距是s ，转角测量器件转动一圈发出脉冲为p ，得到的实际脉冲数为p ， 直线位移测量器件测得脉冲为p ，脉冲位移间隔为d ，那么行程误差e 为： e ：p 三一队d ( 2 2 ) j 一一p 2 d l z z j p 8 0 年代以前的在线误差测量大多采用模拟电路比相的方法，比相测量的角度信号是 工件所转过的角位移，因为工件每转一周测量器件的脉冲是固定的，所以可以作为测量 基准，长度信号是测量砂轮架的实际位移，这个实际位移和用角度基准计算出来的理论 位移之差就是行程误差，实际测量时将直线位移与圆角位移信号进行分频，使系统在无 误差且速度恒定运行时两路信号同频，采样间隔定为两路信号的周期之差，测鼍中应保 持采样周期稳定不变，当前时刻相位与初始值之差就形成加工工件的行程误差。随着测 量技术的发展，传统的模拟电路比相被数字比相代替，克服了采集分辨率受限、系统可 靠性不高、输出信号不稳定等缺点，实现了信号稳定和大量程的误差测量，可以得到精 度很高的采集数据【4 5 1 。计算机技术的快速发展促进了以独立数字电路模块为基础的计数 测量法的广泛应用。这种测量方法也是测量直线位移和转角位移的数值，但不再比相， 而是直接把测量装置的输出脉冲记录下来，通过记录的脉冲个数和测量装置的计数间隔 计算行程误差。计数法是位移测量的先进技术，抗干扰能力强，测最精度更高。本文就 是选用光栅尺作为直线位移测量元件，磁栅盘作为角度位移测量元件，高精度记数卡嵌 入工控机之内进行计数，实现数据的直接读取。测量方法如图2 6 所示。 测头 。 图2 6 误差测量方案 实际测量时，角位移测量器件与加工工件同轴安装并与其同一速度转动，轴向位移 测量器件固定在机床本体上，其动触头与工作台固定并一起移动。角度测量器件每转动 1 2 硕士论文丝杠磨床在线误差补偿系统设计与研究 一圈产生固定的个脉冲，实际产生的脉冲数m ，利用它可以计算出转角位移为m 转，此即为工件的角位移，同时可以计算出砂轮架或工作台的理论位移= m 肋 ( p h 为工件导程) ，而直线位移测量器件也产生了p 个位移脉冲，每个测量脉冲代表的 位移是a ，这样就可以计算出实际位移4 = p 木允，如果没有误差，实际值与理论值应该 是相等的，但由于误差的存在，实际位移与理论位移之间有误差e = ( ，一) z ，这就是测 量出来的工件行程误差值。 2 3 系统补偿控制策略 2 3 1 当前系统补偿控制方法 近年来，各种先进的控制技术成为控制领域研究的热点问题，如模糊控制、专家控 制、神经网络控制、自适应控制及具有学习能力、适应能力、自组织能力和优化能力的 多学科复杂理论融合控制技术【】2 1 。2 0 0 1 年华中科技大学将神经网络应用于丝杠磨床误 差补偿系统，如图2 7 所示。其具体做法是采用用于反映力变形、热变形和传动链等误 差与加工丝杠行程之间关系的神经网络l 及对行程误差的预报值进行修正的网络2 ，采 图2 7 神经网络补偿方法不意图 集到误差之后即可训练网络1 ，使采集的各种误差与工件行程建立对应关系，根据误差 补偿后的反馈关系训练网络2 ，训练好的网络即可对实时采集得到的误差序列进行预报， 进而利用预报值进行补偿控制，图中的磨削过程卡是经过几何或物理仿真得到的经验数 据知识库，为训练神经网络提供依据；2 0 0 4 年山东大学将前馈控制策略应用在丝杠磨床 误差补偿系统上，根据精密丝杠一般都是几次精磨才能完成的，在每次磨削时都保证磨 削的工艺参数和测量系统等其它条件不变，这样就可以把第一次和第二次得到的误差按 位置进行存储，分别作为第二、三次磨削的补偿值对系统予以修正，被称为误差的“重 复修正补偿”【6 】。2 0 0 5 年华中科大提出了误差的闭环迭代自学习控制策略，如图2 8 所 示。考虑不能精确建立控制系统模型的情况下，通过对补偿系统及误差特性进行在线学 习，在学习中记忆误差变化的缓时变特性，利用p i d 控制方法实时调节补偿的方向和大 小，并考虑补偿机构的延时特性，保持了补偿的时变性能。另外，还出现了模糊自学习 的控制方法，串口通信p i d 实时补偿法等，都在一定程度上起到了补偿作用。但以上复 2 误差在线检测j 补偿系统设计硕t 论文 图2 8 迭代自学习补偿策略 杂的算法如神经网络和模糊控制等都需要大量接近真实的初始仿真数据，而且神经网络 每次都要大量的训练，计算量大，不适于中小批量零件的生产，控制效果如何也不清楚； 简单的算法如p i d 控制和前馈控制建模过程做了很多假设，误差降低不明显，没有适应 丝杠磨削的特殊控制要求。 根据以上分析由于丝杠磨削的过程复杂，受到前面提出的各种因素的影响，目前尚 难以精确建立控制系统的数学模型，无法采用单一的控制算法进行精确补偿，复杂的控 制算法也存在控制系统稳定性与实时性的问题。另外，如果控制系统过于复杂，系统建 模过程及参数计算过程都会占用较长时间而导致不能实时补偿控制。本文提出的利用时 间序列分析法对产生的丝杠导程和行程误差进行建模预报，建模过程及参数辨识简单且 计算量小，可以对误差序列进行较为准确的预报，并采用自校正的自适应控制算法对预 报误差进行补偿控制，克服了当前控制方法不能精确建模和实时稳定补偿的缺点。 2 3 2 时间序列预报方法 事物的变化过程与时间存在必然的联系，按照时间顺序把事物的行为记录下来就形 成时问序列，时间序列一般都据有相依性，对时间序列进行分析、研究、归纳以掌握其 变化的客观规律，利用这些规律对其进行预测就是序列预报分析，时间序列分析方法及 理论不断成熟，模型结构的辨识、模型参数的估计、模型阶次的确定和其与其它理论的 融合等都处在一个较高的层次上，其应用范围和领域不断扩大，在控制工程、互联网、 生物工程、无损检测、电子信息、精细化工以及数据库等领域中，时间序列分析得到了 广泛的应用并对其它学科的发展起到了莺要的推动作用【3 0 】。目前，时间序列预报分析方 法应用在机床误差控制领域的实例较少，清华大学在2 0 0 4 年提出了利用序列预报方法 预测机床的轮廓误差，并提出了补偿方案，弥补了现有补偿控制方法的不足【1 5 】。南京理 工大学在机床误差控制方面实现了单因素序列建模预报分析方法，把时间序列预报分析 成功地应用到丝杠磨床误差补偿的实验环境下1 1 6 j 。 2 3 3 自校正控制方法 在系统控制中，利用各种输入、状态、性能参数或输出来检测某个性能指标并与规 定的指标做比较，然后对系统结构参数进行修正以保持希望的控制目标就是自校j e 控 1 4 硕上论文 丝丰i 磨床存线误差补偿系统设计与研究 制，与其它控制方法相比，自校正控制的优点主要体现在它对未知系统的控制上，它的 控制方式和控制律是建立在未知系统之上的，它能根据环境的变化和系统内部结构参数 的变化自动实时修正系统，使其达到最优的控制效梨5 0 1 ，2 0 0 4 年兰州理工大学将自适 应控制方法应用于磨床上，对整个系统进行综合控制，避免了因不能精确建立控制系统 模趔而导致不能对磨床进行有效控制的影响，使加工工况始终处于最优的参数状态。 2 4 误差预报补偿系统设计 2 4 1 系统布局方式 丝杠磨床有两种结构形式，从而也有两种运动方式：一种是电机驱动母丝杠转动时， 与母丝杠螺母相连的工作台作直线移动，安装在工作台头、尾架上的工