考虑结构热变形的机床进给系统热误差研究

为系统研究精密机床进给系统热误差的形成机理及其影响因素，提出了一种考虑结构热变形的进给系统热误差建模方法。在考虑进给系统内生热源及冷却系统对丝杠螺母副的温升和丝杠热变形作用机制的前提下，同时考虑了进给系统内生热源对精密机床结构大件（床身、立柱、溜板）热态特性的影响规律。通过分析结构热变形引起的进给系统电机座和轴承座相对位置的变化，建立了综合考虑结构大件和丝杠热变形的进给系统热误差模型。以JIG630精密卧式加工中心为例，进行了考虑结构热变形和不考虑结构热变形的进给系统热误差建模与仿真分析，并开展了相应的测试验证实验。结果表明考虑结构热变形的进给系统热误差模型仿真值与实验结果具有更高的一致性。该建模方法对精密机床进给系统热平衡设计、热误差的控制与补偿具有重要参考意义。     

进给系统热变形对机床运动重复性误差的影响研究

为了分析进给系统热变形对机床运动重复性误差的影响，提出了一种基于分层模型-移动热源的进给系统热变形建模方法。将进给系统分为丝杠层和工作台层，将移动结合面等效为弹簧。采用实体单元和接触单元建立了有限元模型，在丝杠和导轨上施加移动热源，获得进给系统的温度场和热变形。在此基础上，分析了工作台进给速度、轴承预紧力矩和滑块支撑距离对机床运动重复性误差的影响，并进行了实验验证。研究表明，工作台进给速度和轴承预紧力距对机床运动重复性误差的影响较大，滑块支撑距离对机床运动重复性误差的影响较小。研究结果为在机床设计和装配中减小机床运动重复性误差提供了依据。     

基于单光束干涉仪的机床主轴热误差实时测量

主轴热误差是数控机床的主要热误差源,本提出了一种使用三路单光束干涉仪（SBI3）进行机床主轴热误码差的非接触式实时测量方法。可以快速准确地测量主轴热误差。实验结果表明,所测立式加工中心主轴热误差沿Z轴方向最大,约为50μm,测量误差约为1.0μm。     

基于状态空间模型的机床加工精度分析

伺服进给系统的机电耦合特性直接影响数控机床的加工精度，单独针对伺服系统或机械系统建立的模型不足以准确分析系统参数对机床整机加工精度的影响。因此，综合考虑机床伺服系统与机械结构之间的耦合关系，建立伺服进给系统机电耦合动力学模型具有重要意义。首先，为保证伺服进给系统建模精度，利用状态空间法建立了机床机电耦合状态空间方程。其次，建立了伺服进给系统机电耦合Simulink模型，在此基础上采用复合控制提高系统的响应速度和加工精度。随后，利用多体动力学软件建立机床进给系统的刚柔耦合动力学模型，添加摩擦、阻尼等非线性因素，并导入Simulink与伺服系统建立耦合关系。最终，建立了卧式加工中心伺服进给系统的刚柔-机电耦合仿真加工平台，通过模拟机床加工轨迹以验证机电耦合状态空间模型的可靠性。结果表明：该状态空间模型能准确描述系统内部参数和系统输入输出的耦合关系；采用复合控制结构能有效提高系统的响应速度和加工精度。研究结果为数控机床的仿真建模和提高加工精度提供理论依据，为机床机电系统的设计提供有效指导。     

基于灰色综合关联度的数控机床热误差测点优化新方法及应用

针对机床热误差建模技术当中温度布点选取的问题,提出了基于灰色综合关联度进行数控机床热误差建模的关键温度测点选取的新方法。将该方法应用于一台数控车削中心的实验研究,将原有16个温度测点减少至4个。通过同已有方法的比较表明,该方法具有计算简便,判据简易、明晰的优点,能够较大幅度提高所建立模型的鲁棒性。     

精密车削中心热误差和切削力误差综合建模

热误差和切削力误差是影响数控机床精度的最重要的两个误差源,误差补偿技术是一种消除机床误差经济有效的方法,而有效的误差补偿依赖于准确的误差模型。在对切削加工过程中的热变形和切削力分析的基础上,选取合理的参量,采用BP神经网络和PSO算法相结合的优化方法建立了热误差和切削力综合模型。BP-PSO建模方法改善了网络模型的收敛速度和预测精度。基于所建误差模型,对一台精密车削中心加工实时补偿后使得径向加工误差从27μm提高到8μm,大大提高了车削加工中心的加工精度,验证了模型精度。     

机床加工定位误差原因分析

要保证机床的加工精度,不能因为机床本身的误差影响最终零件的误差。对机床加工误差来源的分析,可以有效地得到机床主要热变形和定位误差的对象。通过分析机床进给系统的结构和误差源,可以发现滚珠丝杠对机床误差的影响因素非常大。该文对机床进给系统滚珠丝杠传动副进行有限元模型分析,得出界条件,采用均匀加载和载荷步两种热量加载方式分别分析了滚珠丝杠稳态和瞬态的温度场及热变形场,最终解决对机床误差的影响。     

基于灰色线性回归组合模型的机床热误差建模方法

为了控制机床热误差和提高机床加工精度,考虑到测得的热误差数据同时存在着线性和非线性因素,提出了采用具有处理线性和非线性能力的灰色线性回归组合热误差模型的建模方法.用此方法对某卧式加工中心热误差进行了建模和预测,并引入BP神经网络对热误差模型的残差进行修正,从而获得了比较准确的热误差预测值.与用指数函数来模拟生成数据的灰色模型所获得的预测值进行了比较,证明了灰色线性回归组合及BP神经网络模型在机床热误差补偿建模应用中的优越性.     

基于热态信息挖掘的机床主轴系统热误差建模方法研究

针对数控机床热误差建模问题,通过对精密卧式加工中心主轴系统热变形数据特征进行分析,提出了一种利用均值理论进行数据分类、利用粗糙集理论进行数据挖掘和利用线性回归分析构建误差模型的机床热误差建模方法.该方法首先进行机床主轴的热误差实验,利用传感器同时检测机床主轴所选各检测点的温升和主轴轴端的热变形,然后利用均值理论和粗糙集理论对获得的数据进行分类和数据挖掘精简,最后通过线性回归分析进行热误差建模.为了评价所建模型的有效性,将所建模型与BP神经网络模型进行了对比,结果表明这种基于热态信息挖掘的热误差建模方法在机床主轴热误差预测方面有较高的准确性和实用价值.     

基于多源融合理论的机床圆度误差测量不确定度评定

圆度误差是评价机床加工精度的重要指标。为实现机床圆度误差测量不确定度的评定,对基于球杆仪测量的机床圆度误差的贡献因素及不确定度评定方法进行研究。首先,采用最小二乘法（least sqaure method,LSM）对圆度误差进行评定。然后,基于黑箱理论提出了多源融合误差测量不确定度评定方法。接着,根据球杆仪测量机床圆度误差的基本原理,建立了机床圆度误差测量不确定度评定模型。最后,利用球杆仪对某加工中心ZX平面的圆度误差进行多组重复测量实验,采用所提出的方法对圆度误差测量不确定度进行计算,并与基于蒙特卡罗法（Monte Carlo method,MCM）的计算结果进行对比验证。结果表明,基于所提出方法和MCM的机床圆度误差测量不确定度的评定结果分别为1.190 0 和1.160 0 μm,两者的相对偏差约为2.5%,由此验证了所提出方法的可行性。所提出方法规避了繁杂的输入量与输出量之间函数关系的求解过程,简化了机床圆度误差测量不确定度的评定过程,具有较强的实用性。     

双轴联动进给系统多目标优化设计与研究

为提高机床的加工精度,降低零件加工误差,以双轴联动进给系统的轮廓误差和Z轴、X轴的跟踪误差为优化目标,开展双轴联动进给系统的多目标优化设计与研究。首先,在前期研究的基础上,设置优化初始条件,并利用Box-Behnken方法获得试验样本点;其次,基于所建立的双轴联动进给系统的机电耦合动力学模型开展样本点运动轨迹仿真分析,得到轮廓误差和单轴跟踪误差数据,并采用灵敏度分析法获得对设计目标影响程度较大的设计变量;然后,基于仿真得到的数据,利用含交叉项的二次多项式拟合方法构建设计目标对设计变量的响应面模型;最后,利用NSGA-II （non-dominated sorting genetic algorithm-II,非支配排序遗传算法II）对双轴联动进给系统进行优化,得到双轴联动进给系统的Pareto最优解集,按照目标优先顺序从该解集中寻得最优解。从仿真结果可知,双轴联动进给系统的轮廓误差和Z轴、X轴的跟踪误差均明显降低,降幅超过30%,优化效果明显。该方法可为多轴联动进给系统的优化提供参考。     

Simultaneous optimization of the feed direction and tool orientation in five-axis flat-end milling

The two additional rotational motions of five-axis machining make the determination of the optimal feed direction and tool orientation a challenging task. A new model to find the optimal feed direction and tool orientation maximising the machining width and avoiding local gouging at a cutter contact (CC) point with a flat-end cutter considering the tool path smoothness requirement is developed in this paper. The machining error is characterised by a signed distance function defined from a point on the bottom tool circle of the cutter to the design surface. With the help of the differential evolution approach, the optimisation model can be resolved to determine the optimal tool orientation and feed direction at a given CC point, and generate the smooth tool paths following the optimal feed direction. Simulation examples demonstrate the developed techniques can improve the tool orientation and feed direction at a CC point to increase the machining width, improving the efficiency of freeform surface machining.     

微机电系统热式流量传感器计量原理的数值研究

采用计算流体力学仿真手段,根据MEMS热式流量传感器的计量原理进行机理建模,对不同流速下微机电系统传感器表面的温度场分布进行数值模拟与分析,考察了传感器温差输出信号与标准流速之间的关系,所得结论与理论相符。同时,通过与实验数据比较,验证了仿真模型的正确性。此外,通过分析热式流量传感器在不同温度和压力下的热场特性,发现其存在一定的温度和压力效应。当工作温度、压力波动较大或严重偏离标定状态时将带来较大的测量误差。     

Thermal error regression modeling of the real-time deformation coefficient of the moving shaft of a gantry milling machine

This paper describes a novel modeling method for determining the thermal deformation coefficient of the moving shaft of a machine tool. Firstly, the relation between the thermal deformation coefficient and the thermal expansion coefficient is expounded, revealing that the coefficient of thermal deformation is an important factor affecting the precision of moving shaft feed systems. Then, thermal errors and current boundary and machining conditions are measured using sensors to obtain the first set of parameters for a thermal prediction model. The dynamic characteristics of the positioning and straightness thermal errors of the moving axis of a machine tool are analyzed under different feed speeds and mounting modes of the moving shaft and bearing. Finally, the theoretical model is derived from experimental data, and the axial and radial thermal deformation coefficients at different time and positions are obtained. The expressions for the axial and radial thermal deformation of the moving shaft are modified according to theoretical considerations, and the thermal positioning and straightness error models are established and experimentally verified. This modeling method can be easily extended to other machine tools to determine thermal deformation coefficients that are robust and self-correcting.The full text can be downloaded at https://link.springer.com/content/pdf/10.1007%2Fs40436-020-00293-3.pdf     

关节臂式坐标测量机热变形误差建模及补偿

建立了关节臂式坐标测量机(AACMM)结构参数热变形误差的运动学方程,研究了在实验温度约为20 ℃时关节臂式坐标测量机主要结构参数的温度变化规律和测量误差的变化趋势,建立了基于多元线性回归方法的热变形误差补偿模型并进行验证。实验结果表明:AACMM工作温度上升值最大可达3℃,测量误差随温度上升呈增大趋势,最大长度测量误差可达0.115 mm。实现了AACMM热变形误差补偿,平均测量误差从0.071 5 mm降到0.033 5 mm,在一定程度上提高了AACMM的测量精度。     

基于互信息PSO-LSSVM的SO2浓度预测

针对火电厂SO2污染物排放问题,提出了一种基于互信息的粒子群寻优(PSO)最小二乘支持向量机(LSSVM)模型预测方法,通过筛选出与SO2实测入口浓度相关性较高的辅助变量,将其作为模型的输入,实现对主导变量SO2浓度的预测。利用互信息筛选出的辅助变量相比于机理分析、皮尔逊相关性筛选出的辅助变量具有更高的相关性。利用互信息筛选出的辅助变量作为LSSVM模型的输入以及粒子群法确定LSSVM的参数,不仅缩短了计算时间,还提高了预测精度。将该方法应用到某火电厂的SO2浓度软测量中,利用现场数据进行仿真,结果表明预测精度较高,相对误差较低,预测趋势更贴近实际值,减小了实际值与预测值的误差(均方根误差为2.485,平均相对误差为0.2603%),为现场的SO2浓度提前控制提供了软件技术支持。     

加工中心的几何误差和热误差综合补偿模型

本将剂次坐标变换理论结合刀具与工件联结链矢量概念建立了加工中心误差运动综合偿模型。此模型不但包了三轴加工中心的几何误差而且还饮食了热误差的共计35个误差元素,使用此模型的补偿加工大幅度地提高了加工中心的加工精度。该方法可对多轴设备和机器人的非网体误差运动进行描述。