一种主轴与固连进给轴热误差综合作用建模方法与分析方法技术

本发明专利技术公开了一种主轴与固连进给轴热误差综合作用建模与分析方法，该方法对主轴与固连进给轴热误差进行齐次坐标表达，构建了理想状态与实际状态下主轴与固连进给轴热误差综合作用映射关系，实现了12项热误差与刀具链末端误差向量预测，通过比较无条件和条件概率密度函数和条件概率密度函数之间的最大距离实现基于密度函数的灵敏度系数计算，由此确定主轴与固连进给轴热误差对主轴端刀具链的误差项量的综合作用。从而为机床概念设计后合理分配机床精度提供理论指导及建议，为机床运行过程中误差调整及补偿提供理论依据，从根本上提高数控机床精度。高数控机床精度。高数控机床精度。

【技术实现步骤摘要】
一种主轴与固连进给轴热误差综合作用建模方法与分析方法


[0001]本专利技术涉及数控机床
，具体为一种主轴与固连进给轴热误差综合作用建模方法与分析方法。

技术介绍

[0002]精密机床是实现智能制造的关键载体，其准静态精度是决定机床空间加工精度的性能指标。随着数控机床零部件的设计、制造以及装配技术的进步，高端机床的静态几何精度已经接近国际水平，而加工中动态生成的热误差已成为高速精密数控机床误差的主要来源，显著降低了机床的加工精度。几何误差与热误差是决定准静态精度的两个因素。对于精密机床而言，热误差占机床全部误差源的45％
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75％，因此，针对机床各运动轴的热误差进行预防与补偿是对提高数控机床的加工精度，具有重要的理论和工程应用价值。
[0003]主轴是机床加工的核心部件，针对主轴热误差的研究取得了显著效果。杨军等基于国际标准ISO 230
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3推荐的五点测量法实现了主轴3项热误差测量，设计了基于西门子840D系统的热误差补偿模块，并采用反馈中断积分法实现了精密坐标镗铣加工中心热误差的实时在线补偿(参见Yang J,Mei X,Zhao L,et al.Thermal error compensation on a computer numerical control machine tool considering thermal tilt angles and cutting tool length[J].Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers Part B Journal of Engineering Manufacture,2015,229(1):229(1):78
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97.)。李兵等在专利“带滞后数据处理的灰色理论分段式加权热误差建模方法”(公开号：110262393A)中公开了基于灰色模型和分布滞后模型相结合的层级热误差模型。采用时间序列模型及神经网络的热误差模型主要针对主轴或者直线轴单独运动。在已有的方法中，孙志超等提出了针对车床主轴和直线轴热误差耦合的热误差建模(参见孙志超,侯瑞生,陶涛,等.数控车床综合热误差建模及工程应用[J].哈尔滨工业大学学报,2016,48(1):7.及孙志超,陶涛,黄晓勇,等.车床主轴与进给轴耦合热误差建模及补偿研究[J].西安交通大学学报,2015,49(7):8.)，但仅从主轴与进给轴空间几何关系的角度构建了热误差线性模型，并未对主轴与进给轴的全部误差予以考虑。实际工况下，主轴与其相连的进给轴共同构成刀具链，主轴的旋转运动的同时进给轴形成直线运动。工作台端的进给轴形成的工件链存在的热误差不会直接与主轴端及其固连进给轴的热误差共同影响刀具链末端的位置。基于以上测量方法，这造成了机床测量与辨识结果的理论价值远远大于工程实际应用意义，易造成补偿补偿精确性低，补偿效果鲁棒性差。因此，针对主轴与其固连的进给轴的热误差进行测量建模对提升刀具链一端的准静态精度具有重要意义。
[0004]综合已有测量与分析方法可知，令主轴与其固连的进给轴二者单独运动，可有效提升效率，简化测量方案、降低测量成本。然而，不容忽略的是所得到的热特征分析结论与数据以简化运动轴的运动特征为基础，由此所得到的误差图谱和补偿值具有明显的局限性。已有测量方案及分析中未考虑条件约束下的热误差综合作用，为此，寻求一种考虑主轴及其固连进给轴的热误差建模与分析方法，对于机床精度优化分配、精度检测与误差补偿，
至关重要。

技术实现思路

[0005]鉴于现有技术的不足，本专利技术旨在于提供一种主轴与固连进给轴热误差综合作用建模方法与分析方法。
[0006]为了解决上述技术问题，本专利技术提供如下技术方案：
[0007]一种主轴与固连进给轴热误差综合作用建模方法，所述方法包括以下步骤：
[0008]S1主轴和主轴端直线轴同步运动的热误差测量；
[0009]S2利用主轴热误差项和主轴端直线轴热误差项的定义，建立理想状态下主轴和主轴端直线轴运动状态的运动学模型；
[0010]S3依据热误差综合模型，估计主轴和主轴端直线轴同步运动时位姿向量无条件约束的概率密度函数，然后输出无条件约束的位姿向量概率密度函数；
[0011]S4主轴运动，主轴端直线轴和其他运动轴均保持静止的热误差测量；
[0012]S5依据热误差综合模型，确定主轴端直线轴和其他运动轴均保持静止的条件约束下热误差概率密度函数；
[0013]S6主轴静止，主轴端直线轴往复运动，其他运动轴均保持静止的热误差测量；
[0014]S7依据热误差综合模型，确定主轴静止其他运动轴均保持静止的，主轴端直线轴往复运动的条件约束下热误差概率密度函数；
[0015]S8对于输入热误差项x
i
，计算无条件约束和条件约束下的位姿向量的概率密度函数之间的最大距离；
[0016]S9：将n个条件约束的概率密度函数和无条件条件约束的概率密度函数的差值的统计量用作最终指示符IE
i
，以表示所选输出对输入xi的灵敏度；
[0017]S10构建密度函数的灵敏度指数可以定义，表示输入参数对模型输出的联合概率密度函数的归一化期望效应。
[0018]需要说明的是，所述步骤S3还包括，所涉及的全部热误差参数都变化，通过对整个输入参数即误差项的可行性空间进行采样获得的无条件样本的数量。
[0019]需要说明的是，所述步骤S5还包括，保持所选输入x
i
固定在n个随机值，此时是部分参数变化，即主轴或直线轴的一个运动部件的静止，以实现无热致误差的产生；通过仅对非固定输入进行采样而获得的条件样本的数量，输出此时位姿向量条件约束下的概率密度函数。
[0020]需要说明的是，所述步骤S7还包括，保持所选输入x
i
固定在n个随机值，此时是部分参数变化，即主轴静止及其他运动轴均保持静止，主轴端直线轴往复运动，以实现热致误差的产生；通过仅对非固定输入进行采样而获得的条件样本的数量，输出此时位姿向量条件约束下的概率密度函数。
[0021]需要说明的是，所述步骤S9还包括，当输入参数x
i
被固定在某个值时，模型输出的条件联合概率密度可以表示为f
Y
(y|x
i
)；然后，通过模型输出的联合概率密度函数f
Y
(y)和f
Y
(y|x
i
)之间的L1范数来量化固定值x
i
对模型输出联合概率密度函数的影响。
[0022]本专利技术还提供一种直线轴与主轴热误差综合作用建模的分析方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
[0023]S1利用多光束激光干涉仪对主轴和主轴端直线轴进行同步运动的热误差测量；
[0024]S2主轴及主轴端直线轴可分别视为相邻典型特征体B
i
、B
...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种主轴与固连进给轴热误差综合作用建模方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：S1主轴和主轴端直线轴同步运动的热误差测量；S2利用主轴热误差项和主轴端直线轴热误差项的定义，建立理想状态下主轴和主轴端直线轴运动状态的运动学模型；S3依据热误差综合模型，估计主轴和主轴端直线轴同步运动时位姿向量无条件约束的概率密度函数，然后输出无条件约束的位姿向量概率密度函数；S4主轴运动，主轴端直线轴和其他运动轴均保持静止的热误差测量；S5依据热误差综合模型，确定主轴端直线轴和其他运动轴均保持静止的条件约束下热误差概率密度函数；S6主轴静止，主轴端直线轴往复运动，其他运动轴均保持静止的热误差测量；S7依据热误差综合模型，确定主轴静止其他运动轴均保持静止的，主轴端直线轴往复运动的条件约束下热误差概率密度函数；S8对于输入热误差项x
i
，计算无条件约束和条件约束下的位姿向量的概率密度函数之间的最大距离；S9：将n个条件约束的概率密度函数和无条件条件约束的概率密度函数的差值的统计量用作最终指示符IE
i
，以表示所选输出对输入xi的灵敏度；S10构建密度函数的灵敏度指数可以定义，表示输入参数对模型输出的联合概率密度函数的归一化期望效应。2.根据权利要求1所述的主轴与固连进给轴热误差综合作用建模方法，其特征在于，所述步骤S3还包括，所涉及的全部热误差参数都变化，通过对整个输入参数即误差项的可行性空间进行采样获得的无条件样本的数量。3.根据权利要求1所述的主轴与固连进给轴热误差综合作用建模方法，其特征在于，所述步骤S5还包括，保持所选输入x
i
固定在n个随机值，此时是部分参数变化，即主轴或直线轴的一个运动部件的静止，以实现无热致误差的产生；通过仅对非固定输入进行采样而获得的条件样本的数量，输出此时位姿向量条件约束下的概率密度函数。4.根据权利要求1所述的主轴与固连进给轴热误差综合作用建模方法，其特征在于，所述步骤S7还包括，保持所选输入x
i
固定在n个随机值，此时是部分参数变化，即主轴静止及其他运动轴均保持静止，主轴端直线轴往复运动，以实现热致误差的产生；通过仅对非固定输入进行采样而获得的条件样本的数量，输出此时位姿向量条件约束下的概率密度函数。5.根据权利要求1所述的主轴与固连进给轴热误差综合作用建模方法，其特征在于，所述步骤S9还包括，当输入参数x
i
被固定在某个值时，模型输出的条件联合概率密度可以表示为f
Y
(y|x
i
)；然后，通过模型输出的联合概率密度函数f
Y
(y)和f
Y
(y|x
i
)之间的L1范数来量化固定值x
i
对模型输出联合概率密度函数的影响。6.一种如权利要求1所述的直线轴与主轴热误差综合作用建模的分析方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：S1利用多光束激光干涉仪对主轴和主轴端直线轴进行同步运动的热误差测量；S2主轴及主轴端直线轴可分别视为相邻典型特征体B
i
、B
j
，其中，包含了无热误差项作用时的静态关系、无热误差项作用时相互运动关系、误差作用时的运动关系；
S3在进行主轴与直线轴热致位移误差数据采集时，对直线轴的数据采集发生在直线轴运动过程中，此时主轴仍运动，在直线轴运动至工作台近端过程中，进行数据采样，即主轴端数据采样周期为直线轴由远离工作台一端至靠近工作台一端的直线轴运动时间；在此运行条件下，记录主轴端热误差向量值，由此误差值，计算位姿向量即无条件概率密度的位置向量函数，此过程中即所涉及的全部热误差参数都变化，使用通过对整个输入可行性空间进行采样获得的无条件样本的数量作用...

【专利技术属性】
技术研发人员：郭世杰，崔凤丽，唐术锋，武建新，张文志，宋晓文，
申请(专利权)人：内蒙古工业大学，
类型：发明
国别省市：