数控滚齿机热误差建模及补偿技术研究

论文摘要

数控滚齿机加工过程中,热误差占到了总误差的40%～70%,是降低机床加工精度的主要因素。根据目前滚齿机热误差研究成果,减小滚齿机热误差有两种基本方法:误差预防法和误差补偿法。对于前者,可以通过温度控制及合理设计机床结构来实现,但这种方法受到技术和经济等诸多因素的限制,而后者是采用各种检测手段对滚齿加工时产生的热误差进行直接或间接的测量,从而建立热误差模型,对滚齿机实施热误差补偿。由于数控滚齿机热误差补偿技术可以在成本投入不大的情况下就能得到较好的效果,并且相对简单易行,所以该技术已经成为世界各国学者所共同研究的一项课题。本文采用误差补偿方法来降低滚齿机热误差对加工精度稳定性所带来的影响,主要工作如下:①分析了国内外滚齿机热误差建模及补偿技术研究现状,阐述了该技术对于提高滚齿机精度稳定性的研究意义。②分析了滚齿机热误差产生原因及热变形对加工精度稳定性所造成的影响,并且制定了本研究关于热误差模型的建立及对热误差进行补偿的技术路线。③提出了热误差采集实验中温度传感器的布置策略,并且利用模糊聚类分析的方法从多个温度传感器布置点中优化选择出了几个关键温度点。④对热误差采集实验所需仪器包括温度传感器、温度巡检仪、位移传感器及数显表进行了选型,利用C++builder开发出了热误差采集软件,采用蓝牙传输数据,从而解决了现场布线的困难。⑤在YKS3120滚齿机上完成了热误差采集实验,根据实验所采集到的温度与位移数据优化了温度布置点后,利用多元线性回归的方法对热误差进行了建模,因滚齿机热误差主要体现在X方向,故研究了大立柱与小立柱在X方向上的变化规律。⑥提出了两种热误差补偿方法,即利用一种热误差差动螺旋补偿装置进行补偿和采用数控系统进行补偿,后者也是在实践中被采用的更为实用的方法,即通过数控系统的PLC读取关键点的温度信息,利用数控系统的R参数来调用写入了热误差模型的子程序,算出补偿值,实时的修正加工状态中X的坐标从而达到对热误差进行实时补偿的目的,实践中也证明该方法可行性高、简单易行、补偿效果良好。

论文目录

• 中文摘要
• 英文摘要
• 1 绪论
• 1.1 滚齿机床发展状况
• 1.2 数控滚齿机热误差补偿技术研究状况
• 1.3 课题提出的意义
• 1.4 本论文研究的主要工作
• 2 热误差建模的理论分析
• 2.1 滚齿机热误差建模的技术路线
• 2.2 数控滚齿机热源分析
• 2.3 热变形对加工精度的影响
• 2.3.1 热变形总体分析
• 2.3.2 热变形引起工件、刀具间的相对位置偏差
• 2.3.3 热变形引起工件、刀具间的相对转动偏差
• 2.4 温度传感器的布置策略及优选方法
• 2.4.1 温度传感器的布置策略
• 2.4.2 温度传感器的优选方法
• 2.5 多元线性回归建模方法
• 2.6 本章小结
• 3 实验硬件选型及采集软件设计
• 3.1 热变形误差采集实验硬件选型
• 3.1.1 需求分析
• 3.1.2 温度传感器选型
• 3.1.3 红外热成像仪在热误差采集实验中的应用
• 3.1.4 温度巡检仪选型
• 3.1.5 位移传感器选型
• 3.1.6 数显表选型
• 3.2 数据传输处理
• 3.2.1 蓝牙通信
• 3.2.2 单片机数据传输
• 3.2.3 串口通信
• 3.3 热变形误差采集软件设计
• 3.3.1 需求分析
• 3.3.2 总体架构设计
• 3.3.3 详细设计
• 3.3.4 程序设计
• 3.3.5 软件界面设计
• 3.4 本章小结
• 4 滚齿机热误差实验及建模
• 4.1 热误差采集实验仪器布置图
• 4.2 温度测量点优化
• 4.3 热误差模型的建立
• 4.4 本章小结
• 5 热误差补偿方法
• 5.1 热误差硬件系统补偿
• 5.2 热误差数控系统补偿
• 5.2.1 系统功能架构
• 5.2.2 数控滚齿加工循环
• 5.2.3 HIPS 系统概述
• 5.3 本章小结
• 6 结论与展望
• 6.1 全文总结
• 6.2 研究展望
• 致谢
• 参考文献
• 附录
• A. 作者在攻读学位期间取得的科研成果目录
• B. 作者在攻读学位期间参加的课题目录