基于结构方程模型的双直线龙门高速进给轴热误差建模研究

应用直线电机驱动进给机构具有可有效减少中间传动链误差等多种优点，双直线电机驱动龙门结构的重载机床对于增大进给轴推力和机构刚度，提高切削速度和加工精度具有重要的作用。然而高速重载条件下，直线电机发热量增大，导轨副摩擦热增多，进给轴精度也受到更大影响，目前对该类进给机构中主从动轴温度变形的规律研究还不够清晰，若要进行在线补偿，其具体的机制还不明确。项目以2X-Y直线电机驱动的进给轴为研究对象，通过理论分析和实验研究，理清在高速同步进给条件下进给机构的温度变形行为，分析变形行为对进给轴热误差的影响规律，研究应用理论分析与模式识别相结合的结构方程模型建模方法，确定进给轴热误差模型的观测变量、潜变量及其关系，构建进给轴的热误差结构方程模型，再通过模型识别与实验结果的比较，探讨给出方程模型识别性能的评价方法，为该类机构的优化设计提供理论支持，为双直线电机同步高速驱动进给轴的热误差补偿提供一种新方法。

为了促进龙门双直线进给轴在高速高精度数控机床中的应用，本项目对进给轴的热行为特性及其误差实施补偿方法进行了研究，具体完成工作和取得成果主要体现在以下几个方面：（1）采用试验研究与有限元分析相结合的方法对直线进给轴热行为进行分析研究，构建了直线进给轴瞬态温度场有限元分析模型，应用均匀设计方法进行了仿真试验，构建反映有限元分析参数与分析结果关系的知识库。应用多输入多输出最小二乘支持向量回归方法对该知识库进行学习，得到了有限元分析参数与结果关系的回归估计决策函数，在热电耦和激光干涉仪对直线进给轴热行为进行了测试的基础上，以进给机构关键点的温度为识别优化目标，应用优化算法确定有限元热载荷参数，校正了直线进给轴的热结构耦合分析模型，进而分析进给轴热变形规律。（2）为了厘清双直线进给过程同步性能对热误差影响，项目还进一步研究了双直线电机在高速进给驱动条件下的伺服同步误差动态特性问题，建立基于电流环、速度环和位置环三层闭环的双直线电机同步伺服驱动控制模型，分析模型中影响高速龙门双直线电机进给机构同步性能的关联因素，并在不同的进给方式和伺服参数条件下，对高速进给双直线电机的同步误差动态特性进行了一系列实验，结合实验结果分析了伺服参数变量对动态同步误差的影响规律。（3）研究了应用向前变量优选的潜变量建模方法，建立双直线进给轴热漂移和扭曲误差识别模型。在自构建的进给轴试验平台上，进行建模样本的采样研究，应用周期大变异的遗传算法为变量模型参数的自检验方法，在驱动发热与强冷却作用两种过程下进行了试验表明，应用温度测点变量优选潜变量方法，有效剔除了复相关的温度测点变量，并使进给轴的热漂移和扭曲变形得到较好的识别，其影响因素也能得到具体分析。（4）基于以上研究成果，项目组对龙门同步双直线进给轴热漂移和扭曲误差的补偿方法进行了研究，构建了与数控系统兼容的热误差补偿系统，开发了基于潜变量模型的补偿系统软件，在驱动发热与强冷却两者模式下进行试验验证研究，通过补偿前后结果对比，表明热变形建模与补偿方法的有效性。本项目共发表科技论文17篇，录用1篇，其中机械工程学报等EI收录7篇，国际会议6篇，第三届中德先进制造技术研讨会优秀奖论文1篇；获国家发明专利授权4项，申请国家发明专利4项。