Automated measurement and compensation of thermally induced error maps in machine tools

In this paper, a direct method of machine tool calibration is adopted to model and predict thermally induced errors in machine tools. This method uses a laser ball bar (LBB) as the calibration instrument and is implemented on a two-axis computerized numerical control turning center (CNC). Rather than individually measuring the parametric errors to build the error model of the machine, the total positioning errors at the cutting tool and spindle thermal drifts are rapidly measured using the LBB within the same experimental setup. Unlike conventional approaches, the spindle thermal drifts are derived from the true spindle position and orientation measured by the LBB. A neural network is used to build a machine model in an incremental fashion by correlating the measured errors with temperature gradients of the various heat sources during a regular thermal duty cycle. The machine model developed by the neural network is further tested using random thermal duty cycles. The performance of the system is also evaluated through cutting tests under various thermal conditions. A substantial improvement in the overall accuracy was obtained.     

The laser ball bar: a new instrument for machine tool metrology

Current techniques for mapping the volumetric positioning errors of machine tools are time and labor intensive. To address these shortcomings, a linear displacement measuring device is introduced to rapidly and easily determine tool positions via trilateration. The laser ball bar (LBB) consists of a laser interferometer aligned within a telescoping ball bar. The design of the device is discussed and an error budget is developed to estimate its predicted accuracy. Results of repeatability and linear accuracy test of the assembled prototype LBB are given. The LBB is used to map the volumetric errors of a two-axis turning center. Comparison of the LBB error map and the error map obtained through parametric error measurements shows the LBB can accurately map the machine errors in a timely manner.     

Error analysis and compensation for the volumetric errors of a vertical machining centre using a hemispherical helix ball bar test

Machining accuracy is directly influenced by the quasi-static errors of a machine tool. Since machine errors have a direct effect upon both the surface finish and geometric shape of the finished workpiece, it is imperative to measure the machine errors and to compensate for them. A laser measurement system to identify geometric errors of a machine tool has disadvantages, such as a high cost, a long calibration time and the usage of a volumetric error synthesis model. In this study, we proposed a novel analysis of the geometric errors of a machine tool using a ball bar test without using a complicated error synthesis model. Also, a statistical analysis method was employed to derive geometric errors using a hemispherical helix ball bar test. According to the experimental result, we observed that geometric errors of the vertical machining centre were compensated by 88%.     

球杆仪标定BKX-Ⅰ型并联数控机床的雅克比矩阵研究

利用球杆仪的测长功能,建立了BKXⅠ型并联数控机床的标定数学模型,提出逐次逼近法标定42个机床运动学参数。在此基础上,利用Matlab软件对该方法中的关键问题———雅克比矩阵进行仿真研究,为实际测量和标定BKXⅠ型并联数控机床提供了理论依据和应用基础。     

基于球杆仪的直线轴位置相关误差辨识研究

针对多轴机床空间误差检测及辨识方法成本高、时间长等问题,提出一种新的基于球杆仪测试的直线轴位置相关几何误差辨识方法。分别建立各平面内轴运动误差模型,并采用多项式对误差元素预拟合,以常规的三平面圆弧轨迹测量获取误差数据,并基于最小二乘法求解拟合系数,替代直接对误差元素具体数值求解的传统方法,实现对各直线轴位置相关误差元素的辨识。通过实验验证了辨识结果的正确性和有效性,该方法对机床直线轴误差辨识、补偿具有参考价值。     

中空滚珠丝杠副热动态特性分析

以传热学理论为基础,研究滚珠丝杠进给系统主要热源分布及热传导计算,分析中空滚珠丝杠副的热态特性及达到热稳定状态后进给系统的温度场。探讨了多热源作用下滚珠丝杠的一维温度响应,给出了滚珠丝杠系统的热传导方程。通过实验验证了理论结果的正确性,根据滚珠丝杠系统各主要部件的升温曲线对比,获得滚珠丝杠系统的温度场变化规律,并在此基础上分析了滚珠丝杠的热变形,确定滚珠丝杠的热伸长量,从而为滚珠丝杠的优化设计提供了参考。     

基于自由运动的刚性球棒的像机内外参数标定

制作一种两端及中间各安装一个红外反光标志球的刚性球棒,不需要其它复杂标定装置,只要将这种特制的刚性球棒在测量空间内多次随意移动并摄取其图像,即可实现双像机标定。标定算法首先假定主点位于像面中心附近的某个位置,通过Hartley改进八点法求出基本矩阵,继而求出半标定矩阵并对其奇异值分解,再线性地求出焦距。接着求出本质矩阵,奇异值分解后得到旋转矩阵和比例因子意义下的平移向量。利用三角法确定刚性球棒两端点的重建坐标和距离,与标准距离对比确定比例因子。通过评价函数将像机标定转换成寻找两像机最佳主点配对的非线性最小化问题。运用改进的模拟退火进化策略算法迭代优化求解出最佳主点配对,继而求解出像机其它内外参数。与传统方法相比,本文方法不需要对球棒的运动做任何限制,并且能够同时求解出像机内、外参数,改进的模拟退火进化策略算法改善了全局收敛性能并加快了收敛速度。     

数控机床误差的圆轨迹运动激光非接触测量新方法

对数控机床圆运动轨迹的测量是评价机床轮廓加工精度的有效方法之一。传统的测试设备如球杆仪很难实现在高进给速度下对小半径圆轨迹进行测量。本文介绍的利用激光多普勒位移测量仪可以在比较高的速度状态下、在半径从1mm到150mm范围内对数控机床的圆轨迹实现非接触测量，可获得数控机床的几何误差、反向间隙、伺服系统误差等，并能测得相应的圆半径、进给速度及加速度。本文主要论述采用这种新方法对数控机床伺服系统控制性能的优劣进行评价。     

基于球盘的转台多自由度几何误差测量方法

转台作为数控机床及精密测量仪器的关键部件之一,可以将零部件移动至合适的位置,实现更高效的加工及测量任务,其自身的精度尤为重要。本文基于“three-rosette method”原理,提出一种基于球盘的转台多自由度几何误差优化测量方法,详细阐述了该方法的测量原理、转台几何误差的分离与解算方法。研制了圆形球盘,并在三坐标测量机的转台上开展了测量实验,实验结果表明采用12个标准球与优化后的6个标准球的测量结果基本一致,转台平移误差绝对差值不大于0.13μm,转角误差绝对差值不大于0.25″。最后,通过自准直仪装置测量该转台的分度误差,并与基于球盘的测量结果进行对比分析,结果表明上述不同方法得到的测量结果绝对差值不大于3.9″,验证了基于球盘的转台多自由度几何误差测量方法的准确性。     

雷尼绍与多普勒激光干涉仪测量方法比较

介绍了雷尼绍激光干涉仪和多普勒激光干涉仪的测量原理,并对这两种激光干涉仪的测量方法进行了比较。结果表明,当只需要测量机床的线性定位精度时,两者都比较适合。当需要测量机床的所有几何误差时,由于多普勒激光干涉仪采用了激光向量技术,测量周期大大缩短,测量效率较高。     

单热源作用下滚珠丝杠的温度场建模与热误差预测

研究了滚珠丝杠在单热源作用下的温度场模型,以便快速、准确地预测滚珠丝杠的热误差.根据丝杠的导热方程,在合理修改边值条件的基础上,建立滚珠丝杠的温度场理论模型,引入随温度变化的参数α’修正该模型,并提出模型参数的辨识方法.结合机械热变形理论,用所建立的温度场模型预测滚珠丝杠的热误差,进行温度场模型参数辨识实验和模型预测效果的验证实验.结果显示:基于温度场模型预测的温升值与实验测得的温升值之间的最大误差为0.8℃;热误差预测结果与实测结果的最大误差为3.8 μm.结果表明所建立的温度场模型可以较准确地反映滚珠丝杠在单热源作用下的温度分布,进而可以较准确地预测滚珠丝杠的热误差.     

利用自组织原理补偿主轴热误差的仿真研究

本文提出了一种基于自组织原理的主轴热误差补偿策略，它只需根据对主轴热倾斜状态的定性测量结果即可进行定量误差补偿，从而可以大大降低对误差测量精度的要求及测量成本，同时各补偿力间的协调关系根据自组织原则自动建立，简化了补偿算法。经过对某型卧式加工中心主轴热误差进行的自组织仿真补偿，其主轴热倾斜误差减小了92％以上，热偏移误差减小了46％以上。     

风机主轴轴颈的激光熔覆修复试验研究

为了使修复材料熔覆层力学性能满足原风机主轴材料的性能,本文研究了与修复主轴母材同化学成分的合金粉末的激光熔覆修复技术.通过试验研究和修复实践证明了该技术方法具有可行性.     

角接触球轴承高速电主轴的热源特性及对策

高速电主轴是实现高速加工的首要关键技术，文中建立了电主轴的能量流模型，分析了切削热、轴承发热以及主轴电机的发热特点，并提出了提高高速电主轴热稳定性的有效措施。     

高速电主轴动态及热特性研究

以高速加工中心用电主轴为研究对象,对其动态特性进行了仿真分析,得到其低阶频率和振型,为电主轴的稳定性研究提供了理论依据。同时,分析了转速、切削力和润滑方式等因素对电主轴温度的影响。     

虚拟观测法在球杆仪估算机床平动轴几何误差中的应用

在利用球杆仪辨识数控机床平动轴的几何误差过程中,由于建立的辨识模型中任意位置的参数矢量矩阵为病态矩阵,致使在求解辨识模型时存在不精确解或者无解的现象.针对上述问题,提出了一种基于虚拟观测法的岭估计求解辨识模型解的方法.以机床的平动轴为研究对象,基于球杆仪测量的杆长数据,将其代入所建立的误差元素与球杆仪杆长变化量之间的映...     

激光热效应数值模拟技术研究现状

针对激光加工过程极快、形成的瞬态热效应难以用实验方法进行测量等问题,将数值模拟技术应用到对激光加工的物理机制的研究中,并为实际的激光加工提供了优化的加工参数.在对国内外激光加工热效应数值模拟技术研究的成果进行了总结的基础上,分析了激光加工过程的物理现象及与之相关的激光能量密度;综述了常用的数值模拟方法,主要包括解析法、有限差分法、有限体积法、有限元法,以及各种模拟方法的优缺点及适用情况;分析总结了在数值建模过程中热传导场、流体场和力场等多物理场的选择;总结了材料属性和激光特性对激光热效应的影响.研究结果表明,数值模拟技术正向着复杂化、全面性、多样性方向发展.最后,针对目前激光加工过程中存在的问题,对激光热效应数值模拟技术未来的发展方向提出了几点建议.     

考虑运行条件的Elman网络丝杠驱动系统热误差建模

研究了建立滚珠丝杠副热误差模型的方法,以进一步提高半闭环丝杠驱动系统的定位精度。分析了滚珠丝杠副的热源和温度场的动态特性并考虑丝杠驱动系统运行条件提出了基于Elman神经网络的热误差建模方法。首先,根据滚珠丝杠副的结构特点,确定其内部热源及温度场分布特性。然后,基于丝杠温度分布函数,研究丝杠热变形与其内部热源之间的动态非线性函数关系。最后,综合考虑丝杠驱动系统运行条件对其热误差的影响,建立了基于Elman神经网络的热误差预测模型。实验结果表明,当丝杠驱动系统的运行条件较为复杂时,采用文中提出的预测模型得到的热变形估计残差为-3.1μm~2.4μm。结果显示:考虑运行条件的Elman神经网络比BP和Elman网络(仅考虑温升数据)具有更好的预测精度和鲁棒性,有较强的工程应用前景。     

CO2激光辐照氧化矾热像仪的实验

为了研究波段内激光辐照焦平面阵列热像仪时的性能表现.设计了一系列视场内辐照实验.理论上采用了平顶高斯函数和有限个复高斯函数之和模拟激光器输出的平顶型光束以及激光器输出镜和光路中各种光学元件构成的光阑,结合近轴光学系统的柯斯林光束衍射公式计算了激光光束的传递以及变换.在实验中,通过在光路中放置单透镜光学元件以及调节该元件...     

基于电主轴热应力耦合分析的误差补偿方法研究

为了在车床运行时能更精确地进行稳态热补偿,根据机械变形学和传热学的有关理论,综合考虑车床主轴轴线各个零件之间热传递以及其与空气、风扇对流换热对温度场和温度应力场的影响,采用SolidWorks三维建模软件和ANSYS热稳态与热应力耦合分析求解技术,获得了车床在稳态加工时车床主轴轴系的轴端应变值。通过与实验数据的对比,说明了该方法的准确性,从而采用数控误差补偿修正因热变形引起的精度误差。