混合KPLS与模糊逻辑的双直接进给轴全行程热误差建模及补偿

为了提高双直线电动机驱动的同步直接进给轴的运动精度,对该类直接进给轴的全行程热误差在线补偿方法进行了研究。分析了双直接进给轴全行程热误差的影响因素,提出一种基于核偏最小二乘法(Kernel partial least squares,KPLS)和模糊逻辑相结合的双直接进给轴全行程热误差的在线补偿方法。应用激光干涉仪测量其热变形量,使用热电偶和红外测温仪测量进给机构关键点的温度,以时间匹配温度和变形量数据建立统计样本,在均匀离散点位置建立热误差KPLS识别模型,通过在线计算得到离散点热误差补偿量,再根据任意位置与离散点的模糊关联程度,综合计算全行程任意位置处热误差补偿量。以此理论为基础,建立补偿决策函数和补偿系统,依据补偿决策函数智能推断补偿值,通过向数控系统发送补偿码实现在线补偿。在自构建的龙门双直线电动机驱动的直接进给轴平台上,进行全行程热误差在线补偿试验研究,结果表明:混合KPLS与模糊逻辑可以有效的对双直接进给轴全行程热误差在线补偿,经过随机测试验证,补偿后的进给精度提高了50%。     

直线电机驱动进给轴热动态伪滞后建模与补偿方法研究

分析热动态伪滞后效应对直接进给轴驱动精度的影响,对进给轴具有的热伪动态特性进行建模和误差补偿研究。依据一维热传导和一维热膨胀理论,推导直线电机驱动进给轴热动态过程的温度分布模型和热变形误差动态模型,通过有限元分析方法和试验相结合,构建基于关键温度点的直接进给轴热伪滞后变形动态识别模型。应用激光干涉仪测量直接进给轴的热变形量,采用温度传感器和红外测温仪测量直接进给轴关键点的温度,构建进给轴动态热变形补偿系统,依据实时温度对应的热变形数据,发送热变形预测值给运动控制卡,进而向伺服控制器发送控制补偿指令,通过对直接进给轴的运动叠加控制,实现对直接进给轴的热变形补偿。在自构建的直接进给轴试验台上进行试验研究,结果表明：动态识别模型能有效的预测动态热行为,通过构建热变形补偿系统,可使直接进给轴进给精度提高75%。     

基于学习的2x/y直线进给轴圆轮廓误差精密补偿方法

为了提高龙门2x/y直线进给轴联动的圆轮廓精度,对进给轴联动圆轮廓误差的测量、评价和补偿方法进行研究。分析直线电动机驱动的进给轴联动过程存在圆轮廓偏差的原因及其补偿的复杂性,给出一种基于学习的联动轴圆轮廓误差在线精密补偿方法,此方法通过双光束激光干涉仪动态精密测量x/y联动轴的实时坐标值,应用最小二乘圆方法评价确定理想圆,接着通过与理想圆轴坐标位置的比较,计算得到轴向偏差学习样本,建立基于最小二乘支持矢量回归机(Least square support vector regression,LS-SVR)方法的轴向偏差离线识别模型,通过模型的在线回归计算确定联动进给过程的偏差补偿量,给出补偿量控制输出策略与补偿系统构建方案,在自构建的直线进给轴平台上进行在线补偿试验。结果表明应用该方法对2x/y直线进给轴联动的轴向偏差进行在线补偿,可使圆轮廓精度提高68.7%。     

应用变量优选的PLSR分析直线进给轴热扭曲行为

为了探索直线电机驱动的高速直线进给轴热扭曲变形的影响因素,在试验的基础上,给出应用向前变量智能自筛选的偏最小二乘线性回归模型(Partial least squares regression,PLSR)分析影响进给轴热扭曲行为关联因素的分析方法。通过在自构建的进给轴试验平台,建立进给轴扭曲变形的测试系统,给出直线进给轴在发热过程和强冷却作用过程的热扭曲变形采样与进给轴温度动态采集方案。应用周期大变异的遗传算法为偏最小二乘回归参数的自检验方法,给出分析方法的具体实现步骤。通过实验和回归识别计算,分析了进给轴的温度分布及其对热扭曲行为的影响规律。结果表明,给出的变量自筛选偏最小二乘线性回归分析方法,可有效的筛选复相关的温度测点变量,并保持较高的回归识别精度,给出的方法与全变量PLSR和向后变量筛选的Bootstrap方法进行了比较,进一步表明了给出的回归分析方法的优越性。     

高速直线电动机驱动进给轴热行为测试研究

以自构建的直线电动机驱动高速进给轴为研究对象,对全闭环位置反馈进给轴的温度场分布和热变形特性进行了定性分析,指出直线进给轴的几何热变形可以分为光栅尺线性变形、导轨的轴向俯仰角度误差变形和滑台变形3个部分组成,探讨给出进给轴温度测量以及基于激光干涉仪、电容测微仪的变形测量原理及方案,在自构建的直线进给轴试验台上,对该热变形过程进行了综合测试研究,测试结果客观反映了导致直线进给轴热变形误差的组合要素及其所占比例.     

2X/Y直线进给轴直线轮廓误差的学习补偿方法

为了提高2X/Y直线进给轴的联动直线轮廓精度,研究了进给轴联动直线轮廓偏差的测量、评价和补偿方法.分析了直线电机驱动进给过程存在直线轮廓偏差的原因及其补偿的复杂性,给出一种基于学习的直线轮廓误差在线精密补偿方法.该方法通过激光干涉仪的2D时间基准精密测量龙门联动轴直线轮廓的实时坐标值,应用最小二乘方法评价确定理想直线方...     

数控机床进给轴热误差补偿技术研究综述

机床在内外热源共同作用下产生热变形,严重影响机床的精度稳定性与零件加工精度,如何抑制机床热误差是一个重要的研究领域.介绍了机床热误差避免方法和热误差补偿方法的研究进展.分析了直线进给轴误差的成因,并阐述了有/无预紧条件下丝杠热变形过程及机理.介绍了温度测点位置优化方法,以及数据驱动与机理驱动的热误差建模理念、方法及特点.介绍了旋转进给轴热误差测试方法,并给出了其建模及补偿效果.最后,对进给轴热误差补偿技术研究进行了展望.     

基于Gantry驱动的双直线电动机高速动态同步误差性能测试研究

分析高速龙门机床中应用双直线电动机驱动同步进给轴的优越性。给出了基于SIMUERIK 840D的Gantry龙门同步功能控制双直线电动机高速同步驱动的实现方法。探讨通过应用双频激光干涉仪测量动态同步误差方法,并在自构建的龙门驱动实验台上,对主从轴的动态同步误差进行测试实验。测试结果表明:在Gantry控制驱动下,主从轴的动态同步误差随进给速度增大而增大;不同的龙门负载会在直线电动机加速和减速阶段对同步性能产生影响。     

高速机床直线电动机进给系统热行为分析

在高速机床中,以直线电动机驱动的进给轴为对象,应用有限元工具对全闭环位置反馈的进给机构的热源分布进行了分析,给出模型的简化方法,确定了进给轴热载荷相关参数,对进给轴Y轴的热变形特性进行了定性分析。在自构建的实验台上,对直线电动机驱动进给轴Y轴的热变形特性进行了综合试验研究,确定了热电偶、激光干涉仪、电容式测微仪的热变形试验方案和试验步骤,分析了直线进给轴稳态温度分布及其热变形规律。结果表明:主轴刀具位置热偏差是由滑台受热扭曲热位移、光栅尺膨胀热位移和导轨俯仰角偏热位移的三者综合作用的结果;短行程的主要因素是滑台扭曲变形和导轨角偏,长行程的主要影响因素为光栅尺的热变形。     

数控机床热误差建模及补偿研究

数控机床的热误差是影响机床精度的关键因素,因此需要对其进行预测和补偿。首先通过多工况下的定位误差测量和进给轴测量点的温度监测,分析了进给轴温度场和热误差的分布变化特征;利用多元线性回归表征温度变化与进给轴膨胀率的定量关系从而完成热误差的预测建模,针对三轴数控立式铣床进行了热误差补偿。实验结果显示:基于修正的最小二乘法的热误差参考点预测模型更符合实际工况,与补偿前相比机床进给轴的精度提升了47.5%。     

Thermal Error Measurement and Real Time Compensation System for the CNC Machine Tools Incorporating the Spindle Thermal Error and the Feed Axis Thermal Error

Thermally induced errors have been significant factors affecting machine tool accuracy. In this paper, the thermal spindle error and thermal feed axis error have been considered, and a measurement/compensation system for thermal error is introduced. Several modelling techniques for thermal errors are also implemented for the thermal error prediction; i.e. multiple linear regression, neural network, and the system identification methods, etc. The performances of the thermal error modelling techniques are evaluated and compared, showing that the system identification method is the optimum model having the least deviation. The thermal error model for the feed axis is composed of geometric terms and thermal terms. The volumetric errors are calculated, combining the spindle thermal error and feed axis thermal error. In order to compensate for the thermal error in real-time, the coordinates of the CNC controller are modified in the PMC program. After real-time compensation, the machine tool accuracy improved about 4–5 times. ID="A1" Correspondence and offprint requests to: Dr H. J. Pahk, School of Mechanical and Aerospace Engineering, Seoul National University, San 56–1, Shinlim-Dong, Kwanak-Ku, Seoul 151–742, Korea. E-mail: hjpahk@plaza.snu.ac.kr     

基于CNN-GRU组合神经网络的数控机床进给系统热误差研究

热变形引起的误差是影响数控机床精度的主要因素之一。为了减小热误差对数控机床精度的影响,提出一种基于CNN-GRU组合神经网络的热误差预测方法。通过热误差实验,采集螺旋曲面专用数控机床直线进给系统的温升数据和热误差数据;利用模糊C均值聚类和灰色关联度分析筛选进给系统温度敏感点;以温度敏感点的温升数据和进给系统热误差为数据样本,建立CNN-GRU热误差预测模型。为验证模型的准确性和实用性,与基于CNN-LSTM和基于LSTM的传统热误差预测模型进行预测对比分析,结果表明CNN-GRU模型预测结果的平均绝对误差、均方根误差和决定系数均优于CNN-LSTM模型和LSTM模型,具有较高的预测精度和鲁棒性。提供的热误差模型可为后续误差补偿奠定基础,为数控机床的热误差预测提供思路。     

数控机床主轴热变形伪滞后研究及主轴热漂移在机实时补偿

为研究数控机床热变形规律,实现数控机床误差在机实时补偿,进行数控机床主轴热变形理论及试验分析,结果表明,数控机床主轴热变形与主轴温变在距热源约1/3位置存在近似线性关系,即主轴热变形存在伪滞后现象,这一结果为数控机床测温点优化布置及热误差鲁棒建模提供理论依据。为验证机床热变形伪滞后现象,对VM850加工中心主轴热漂移误差在机实时检测并建模,通过自主研发数控机床误差在线实时补偿系统对主轴热漂移误差进行实时补偿,经补偿,机床主轴热漂移误差减少90%以上,有效提高了数控机床主轴精度。     

Time-varying positioning error modeling and compensation for ball screw systems based on simulation and experimental analysis

Thermal expansion of ball screw systems affects the machining accuracy of machine tools significantly. This paper intends to provide a comprehensive error compensation method for the time-varying positioning error of machine tools. To confirm the thermal deformation mechanism of ball screw systems, experiments have been designed to study the thermal behaviors of a ball screw system under varying temperature conditions. An exponential algorithm is proposed to predict the temperature variation pattern of the ball screw based on finite element analysis, and the actual thermal boundary conditions of the ball screw system are exactly defined according to the proposed algorithm and the experimental results. Then, a comprehensive compensation model is established based on the decomposition of the initial geometric error and thermal error components. Finally, a real-time error compensation system is developed for machine tools based on the function of external machine original coordinate shift and fast Ethernet data interaction, and satisfactory results have been achieved for the compensation experiments on a machining center.     

精密数控机床主轴热伸长补偿技术研究

针对目前精密数控机床热误差补偿问题,在基于主轴热误差测量系统的基础上,提出一种基于FCM聚类、多元线性回归的热误差补偿模型。通过对某卧式加工中心主轴恒定转速和变速工况下进行温敏点测量,建立关键温敏点与机床主轴热伸长的几何关系,通过补偿结果和切削试验表明该方法可以有效地降低主轴热伸长误差,提升零件的加工精度。     

数控机床工作台误差综合补偿方法研究

针对由几何误差与热误差引起的数控机床工作台与主轴之间相对位置变动的问题,通过试验分析其在不同温度状态下的误差数据,得到机床工作台平面度误差随热变形保持不变的规律,并提出了一种数控机床工作台平面度误差与主轴热误差的综合补偿方法。该方法通过分别建立工作台平面度误差模型和热误差模型,并运用叠加原理建立综合误差补偿模型,对传统固定单位置点建模补偿方法的原理性缺陷进行了改进。结合机床关键部件的实时温度值和刀具位置的实时坐标值,计算出了全工作台各区域各温度阶段的误差补偿值,进而实现了全工作台主轴轴向综合误差的实时补偿。检验及分析结果表明,相比于传统固定单位置点热误差建模补偿方法,该方法所建模型残余标准差减小约7μm,精度提高比例达到50%;单次最大补偿残差减小约11μm,精度提高比例达到60%,大幅度提高了机床的加工精度。     

Orthogonal polynomials-based thermally induced spindle and geometric error modeling and compensation

The spindle error and geometric error are the main sources of inaccuracy in CNC machining. With the rising of the machine tool parts' temperature, the spindle error and geometric error increase continually, and the error curves have a nonlinear distribution. To analyze the thermal effects on spindle error and geometric error, an experiment is carried out. To improve the machining accuracy of a CNC machine, an error model is proposed based on orthogonal polynomials. With the application of the orthogonal polynomials, the polynomial regression can be transformed into multiple linear regressions which are easier to calculate. In order to implement the real-time error compensation for the thermally induced spindle error and geometric error, an error compensation method is proposed based on the external coordinate offset. The thermally induced spindle and geometric error are compensated by 90 % compared with no compensation.     

数控机床几何误差与热误差综合建模及其实时补偿

为提高数控机床的精度,提出一种数控机床的几何与热的复合误差综合建模方法。通过分析机床在不同温度状态下的误差数据,得到机床误差分布规律;根据几何误差和热误差的不同特性进行误差分离,采用多项式拟合与线性拟合方法建立机床几何误差与热误差的综合数学模型;利用数控(Computer numerical control,CNC)系统的外部机床坐标系偏置功能,应用自行研发的综合误差实时补偿系统进行误差在线实时补偿。该误差补偿方法综合考虑机床几何误差及其在机床不同温度下的变化,全面分析整个温升过程直至热稳态的误差及其变化规律。经检测认证表明,应用该误差补偿方法及其实时补偿系统可使机床在常温下的定位误差由44.1μm降低到3.6μm,补偿91.8%;温升之后的定位误差由26.0μm降低到5.1μm,补偿80.4%,大幅度提高机床的精度。     

Dynamic contour error compensation in micro/nano machining of hardened steel by applying elliptical vibration sculpturing method

In this study, a novel dynamic contour error compensation technique has been proposed for the elliptical vibration cutting process achieved through the ultra-precision amplitude control. The influence of the contour error, triggered due to the inertial vibrations of the friction-less feed drive system, on the machining accuracy deterioration has been experimentally investigated. In order to reduce the contour error, a compensation method utilizing a real-time amplitude control in the elliptical vibration cutting process has been applied. In the proposed method, the dynamic motion error along the depth of cut direction is detected by utilizing the precise linear encoders installed on the feed drive system. The motion error in real-time is subsequently converted into cancelling amplitude command for the vibration control system of the ultrasonic vibrator, thus, guaranteeing that the envelope of the vibration amplitudes auto-tracks the dynamic reference position of the motion axis in the depth of cut direction. Due to this, a constant nominal depth of cut can be obtained even though the inertial vibrations disturb the feed drive control during machining. A series of experimental investigations have been conducted in order to analyze the machining performance by employing the proposed method. The maximum machining error is observed to significantly decrease from 0.6 to 0.04 μm by applying the proposed compensation method. Finally, the micro dimple array with a structural height from about 200 to 600 nm could be accurately fabricated with a maximum machining error of 36.8 nm, which verified the feasibility of the proposed amplitude control compensation method.