基于信息融合的双转台五轴机床空间误差建模及补偿关键技术研究

Geometric error, thermal error and cutting force induced error account for 75% of total machine tool error, controlling these errors is the main way for improving the machine accuracy of CNC machine tools. In this project, error compensation technology is used for reducing the volumetric errors of a two turntable five-axis CNC machine tool, the volumetric error model and a compensator will be presented for the experimental study, which provide scientific basis for improving the machining accuracy of five-axis machine tools. The main content of the study include: 1) In order to determine the displacement variables, temperature variables and cutting force variables required for volumetric error modeling, the main error sources of the two turntable five-axis machine tools will be analyzed, selected and optimized. 2) According to the existing modeling methods, an optimized volumetric error model will be presented based on information fusion technology, and the influence of displacement variables, temperature variables and cutting force variables on volumetric error of the five-axis machine tool will be revealed. 3) Based on an ordinal decoupling compensation method, compensation model of the machine tool motion will be establised in this project, and a volumetric error compensator will be designed for the experimental study of two turntable five-axis CNC machine tools, the compensation effect will be verified.

几何误差、热误差和切削力误差占到了机床总误差的75%，对这3项误差进行控制是提高机床加工精度的关键所在。本项目以双转台五轴机床的空间误差作为研究对象，建立综合反映几何误差、热误差和切削力误差的最优空间误差模型，实施空间误差补偿，为提高五轴机床加工精度提供理论依据，具有重要的现实意义。具体研究内容包括：1）通过对加工位置、主要热源及电机电流等相关因素进行分析，揭示其与几何误差、热误差和切削力误差之间的内在联系，确定空间误差建模所需的位移变量、温度变量和切削力变量；2）以现有的多种误差建模方法为基础，探索空间误差的多模型融合预测机制，建立综合反映几何误差、热误差和切削力误差的最优空间误差模型，揭示位移变量、温度变量和切削力变量对空间误差的影响规律；3）通过对双转台五轴机床的补偿运动进行解耦研究，阐明分步运动的补偿机理，建立补偿运动的数学模型，设计空间误差补偿器，实施空间误差补偿，验证补偿效果。

几何误差、热误差和切削力误差占到了机床总误差的75%，对这3项误差进行控制是提高机床加工精度的关键所在。本项目以双转台五轴机床的空间误差作为研究对象，建立了综合反映几何误差、热误差和切削力误差的最优空间误差模型，并设计了空间误差补偿器，实施了空间误差补偿，最终提高了双转台五轴机床的加工精度，为同类机床提供了重要理论依据，具有重要的现实意义。取得的相关研究成果包括：1）通过对双转台五轴机床进行整机热特性分析，将其主要热源由24个减少为8个，并将其确定为建模所需的温度变量。通过对双转台五轴机床的几何精度和切削力进行分析，将6个加工位置信号和电机电流信号确定为空间误差建模所需的位移变量和切削力变量；2）通过对投影追踪回归建模方法、蚁群建模方法、神经网络建模方法进行研究，应用信息融合技术，建立了综合反映几何误差、热误差和切削力误差的融合预测模型。通过对模型进行性能测试发现，融合预测模型的逼近精度较高，模型残差小于2μm，并且通过调整权值矩阵和模型参数，该融合预测模型可以用于不同类型及不同操作条件的机床，模型鲁棒性及动态性也得到了改善；3）通过对双转台五轴机床的补偿运动进行解耦研究，阐明了分步运动的补偿机理，建立了补偿运动的数学模型，设计了空间误差补偿器，并在此基础上对一双转台五轴机床实施了空间误差补偿，结果显示实施空间误差补偿后，所加工表面零件的最大轮廓误差由15μm降到了5μm左右，补偿效果非常明显，机床加工精度得到显著提高。