木门铰链的热变形补偿方法分析.doc

木质门上用于装配铰链的孔槽，传统上是用镂铣机、木工钻铣机等通用设备加工的，效率低、设备调节难度大、生产互换性差、加工精度低。采用数控加工方法，以天盛铰链装配孔槽数控加工专用机床，通过多头钻铣装置，利用铰链槽数控加工图形参数驱动，实现铰链装配孔槽的加工是现代先进的加工技术。影响其加工精度的主要因素是机床本身品质即机床的加工能力，在保证加工参数满足加工精度要求的情况下，机床加工能力的误差主要来源于机床的热变形误差（约占机床总误差的28%），因此，研究这种机床的热误差补偿方法，是提高木质门铰链装配孔槽加工精度的关键因素。1、木质门铰链装配孔槽的数控加工木质门铰链装配孔槽数控加工机床如图1所示，该机床由东北林业大学研发设计、制造，在数控装置的控制下，实现主轴总成1在的X、Z向移动,并在气缸的带动下实现Y向移动。该机床采用高精度伺服电机驱动，响应速度高，在控制器内集成了各种木质门铰链装配孔槽的形状，通过图形对话的方式，修改其尺寸参数，即可加工所需的尺寸，该机不仅可以加工铰链装配孔槽，还可以加工锁槽、锁孔及把手孔槽。木质门铰链装配孔槽形状的仿真模型如图2所示。2、加工精度的误差补偿方法在数控机床上加工工件，工件的加工精度是由刀具与工件之间的相对位移误差决定，其影响因素很多，而机床的几何误差、热变形误差、载荷误差以及刀具误差是影响加工精度的主要因素。提高加工精度的方法主要有误差防止法（硬件方法）和误差补偿法（软件方法）。误差防止法是提高机床部件的加工、装配精度，减小载荷变化造成的误差以及恒温的工作环境等。误差补偿法则是充分利用数控机床的可编程、智能性，通过对误差的补偿而达到“低精度机床加工高精度工件”的效果1。随着数控技术的飞速发展，数控机床的专业化、标准化的程度越来越高，尤其是数控机床的智能化，在机床硬件条件一定的情况下，利用软件实现其误差补偿，可大幅提高数控机床的加工精度。对于木质门铰链装配孔槽数控加工机床，可借鉴国内外其他木工机械的数控系统的开发模式，采用技术相对成熟的软件公司的系统（如发那科、海德汉、西门子，国内的华中I、II、世纪星等），增加误差补偿的功能，充分利用这种功能，实现木质门铰链装配孔槽数控加工的加工精度。3、热误差补偿建模方法由于数控机床在工作中不可避免地会发热，特别是由于其内部热源多，在传热和散热时温度梯度的变化，切削液和环境温度的影响，由间隙、摩擦等引起的热滞现象，以及接触面复杂热应力引起的变形等，会导致热误差表现为时滞、时变、多方向耦合及综合非线性特征，增加了用数学模型描述热误差的复杂性及误差补偿的不确定性。因此，国内外在数控机床热误差补偿与控制方面进行了大量研究，有些技术已经应用于高速高精度数控机床。本文的木质门铰链装配孔槽数控加工的热误差补偿建模方法建立在遗传算法的基础上。遗传算法是模拟自然界生物进化过程与机制求解极值问题的一类自组织、自适应人工智能技术，其基本思想是模拟自然界遗传机制和生物进化论而形成的一种过程搜索最优解的算法，具有坚实的生物学基础，它能解决任何种类实际问题，具有广泛的应用价值，适用于解决复杂的非线性和多维空间寻优问题。遗传算法产生于20世纪50年代，遗传算法的雏形是利用进化的思想开发工程问题的优化工具；60年代初期，利用生物变异的思想来随机改变风洞等试验设计中描述物体形状的参数值，获得了较好的效果；60年代中期，发展到串编码技术，并把交叉作为主要的遗传操作；70年代中期，正式提出遗传算法，并将该算法用于自然和人工自适应行为研究中，到20世纪80年代中期，遗传算法发展到计算智能研究的新方向。采用遗传算法建立木质门铰链装配孔槽数控加工机床的热误差补偿模型，首先要建立目标函数，通过热误差补偿关键点的优化，获得目标函数未知系数的最优解，由于解的系数一般为小数形式，所以要利用实数编码增大搜索空间提高精度。遗传算法热误差模型可写为如下形式:式(2)中：Esimu和Ereal分别为计算热误差和实际误差向量。实际补偿过程中，热误差补偿点分布在图1木质门铰链装配孔槽数控加工机床的主轴总成1的刀具机构上。选取热误差补偿的关键点进行优化，选择关键点，然后求解即可得到相应的轴向、径向热误差补偿的补偿模型解析式。结语利用木质门铰链装配孔槽数控加工机床加工铰链孔槽