数控精密立式磨床空间误差建模及溯源分析

数控精密立式磨床在加工时具有变形量少、圆度更好的优点,广泛应用于机床行业中套筒类、盘类、环类、小型工作台等零件的磨削加工领域。与国外相比,国内机床行业在高端磨床领域存在着生产效率低、加工精度差等问题。以某型号数控精密立式磨床为研究对象,首先通过研究各关键部件之间的运动关系,得出相应的几何误差参数,运用多体系统理论建立了部件之间的变换矩阵,进而得到磨床的精密加工约束方程,从而建立磨床的空间几何误差模型。依据该空间误差模型,建立误差灵敏度模型,得到影响加工精度的关键误差项。最后针对关键误差项进行误差修复,完成对数控立式磨床加工精度的优化,可在立式磨床设计阶段提供一定的设计理论基础。

齿轮加工机床几何误差补偿研究综述

齿轮的加工精度是制约高端装备发展的关键瓶颈,高性能齿轮加工机床是实现齿轮高精度加工的选择。齿轮加工机床结构和运动的复杂性增加了其几何误差补偿的难度。通过分析近年来国内外多轴通用机床的几何误差补偿技术并结合齿轮加工机床几何误差补偿发展现状,对齿轮加工机床几何误差补偿技术展开综述,总结几何误差的来源,介绍多体系统理论、旋量理论、微分运动矩阵及变流理论4种可应用于几何误差建模的理论,分析采用激光干涉仪和球杆仪对直线轴及旋转轴进行几何误差测量与辨识的方法,概述通过NC数据修改对几何误差进行补偿的方法,为齿轮加工机床几何误差补偿设计提供参考。

大行程位移台干涉测距系统的误差补偿

双频激光干涉仪作为常用的精密光学非接触式测量设备,具有精度高、抗干扰能力强、灵活性好等优点。然而环境温度变化、机械振动等因素可能会影响其测量结果的准确性,并且影响程度会随着测量光程的增加而增大。针对基于双频激光干涉仪的大行程位移台测距系统,首先研究了位移台测距系统的测量原理,然后针对系统存在的各项误差进行了分析和补偿,最后,对系统进行综合误差补偿实验,短时间补偿量达到10-8 m量级,且时间越长补偿效果越好。该方法较现有的误差补偿方法更为完整,补偿量更大。

电动缸举升伺服机构运动学误差建模与辨识

针对电动缸举升伺服机构在大长径比、大惯量和大质量武器站运动学模型精度不高的问题,利用所提误差分离辨识方法对电动缸举升伺服机构的运动学模型进行了高精度建模。在明确了运动学误差来源为零位、几何、间隙和趋势误差的基础上,结合闭环矢量法与滞环模型建立了包含全项误差理论运动学模型,并定性的总结了每项误差的不同特征。通过提出的基于误差解耦的静、动态误差分离流程,有效的分离出了间隙、零位、几何和趋势误差,并分别利用双传感器法、非线性最小二乘法、傅里叶级数法和小波变换法对间隙、零位、几何和趋势误差进行了有效辨识,定量的分析了每项误差的影响度。结果表明:提出的基于搜索区间的解耦化非线性最小二乘法,在有效的分离出重现误差(几何误差),并定量的明确了几何误差为最大误差来源,将辨识出来的静态误差代入运动学模型,在实验平台的上,将平台的运动学模型精度提高96.6%。该误差分离辨识方法,对电动缸举升伺服机构的高精度运动学建模具有理论参考价值。

数控装备误差补偿关键技术研究

制造业虚拟工厂模式可以降本增效、优化服务质量,是应对全球化激烈竞争的不二选择。在该模式下,为不断提升产品质量,主要研究与之生产过程相关的数控装备精度提升关键技术即误差补偿关键技术,具体包括误差源分析、误差建模、误差测量及误差数据处理。由此,以五轴机床为数控装备的代表,找出了影响其精度的45项几何误差;并通过误差建模,构建了这45项误差与五轴机床系统总误差的关系;其次,根据五轴机床误差特性,构建了测量系统,并证实了该系统的有效性;最后,针对测量数据,展开误差处理分析,解决了非测量节点数据问题,同时大幅降低了数据量信息,为快速有效地进行误差补偿奠定了数据基础。

数控机床几何与热误差研究方法综述

数控机床加工精度是衡量机床性能的关键指标。影响加工精度的误差源有多种,最显著的是几何误差与热误差,占据机床总误差的60%~70%。误差补偿被认为是提高机床加工精度经济高效的手段,其中误差精确测量、误差模型的建立是进行误差补偿的基础和前提。针对数控机床综合误差的测量、建模、补偿过程进行归纳总结,分析测量工具、建模和补偿方案的优缺点,列举数控机床精度优化方面的问题,并探讨未来的研究方向。

陀螺加速度计交叉耦合误差参数标定及补偿方法

针对陀螺加速度计非线性输出值表达式中横向加速度耦合误差未解耦的问题,综合考虑了陀螺加速度计在时变输入加速度和横向加速度同时作用时对输出的影响,利用基座3个正交方向的加速度,将外框架轴与转子轴不垂直度角作为已知量,计算得到陀螺加速度计的理论输出值。在此基础上,采用递推迭代方法对模型进行参数标定,同时,给出了陀螺加速度计输出值补偿模型。通过对比参数补偿前后的误差结果,输入加速度误差由0.05g减小到0.002g,验证了输出模型中交叉耦合误差的补偿对提高测量精度的有效性。

压差式流量计误差自动化修正算法研究

针对在多干扰源扰动下压差式流量计测量结果面临输出不稳、误差较大的问题,提出多源扰动下的压差式流量计误差自动化修正算法。考虑全补偿气体可膨胀性系数、压缩系数、密度系数和流出系数等因素,研究压差式流量计误差自动化修正算法。利用均值滤波滤除信号中的高斯噪声,结合一阶滞后滤波优化卡尔曼滤波算法,修正多源扰动误差。引入自组织算法和Volterra神经网络进一步改进卡尔曼滤波算法,并优化卡尔曼滤波算法的先验模型参数,以实现多源扰动误差的自动化修正。试验结果表明,经该算法控制后:当参考流量为900 m^(3)/h时,示值误差绝对值为0.203%;当参考流量为700 m^(3)/h时,流量计重复性为0.06%。该研究可以有效识别并修正由于多源扰动造成的流量异常值,且流量测量精度较高。

耦合多元混沌要素的非线性交叉预测误差模式对极端天气延伸期预测研究

本文首先分析随机误差、初始误差和模式参数误差对建立的单变量非线性交叉预测误差模式(Nonlinear Cross Prediction Error,NCPE)的极端天气延伸期预报敏感性,及不同气象要素场对延伸期预报的敏感性,再利用可降水、温度、位势高度资料建立多混沌变量耦合的模式(Multivariate NCPE,MNCPE),深入对比分析两种模式延伸期预报特征。结果表明:随机误差和初始误差的比率量级差异会影响NCPE模式的延伸期预报特征,存在临界值效应;而针对参数误差,合适的相空间维m能较好表征吸引子的局部细节。不同气象要素场对暴雨、台风等灾害天气延伸期预报的敏感性也表现不一。耦合多变量的MNCPE模式,相比单变量NCPE,能更完备表征混沌吸引子局部结构的动力特征,降低10~30 d延伸期预报的不确定性。

轮廓度误差对超声速压气机叶栅气动性能的影响

[目的]旨在评估轮廓度误差对压气机气动性能的影响,并为叶片鲁棒性设计提供参考。[方法]建立单峰值轮廓度误差分布数学模型,采用数值模拟方法,研究压力面和吸力面不同轮廓度组合误差对超声速压气机平面叶栅气动性能的影响。[结果]结果表明:吸力面轮廓度误差分布是影响叶栅总压损失的关键因素,随着吸力面轮廓度峰值误差位置向下游移动,总压损失系数逐渐降低;压力面和吸力面误差分布对气流折转角和静压升系数的影响趋势相反。对较低来流马赫数的叶栅,吸力面误差对气流折转角和静压升均起主导作用;对较高来流马赫数的叶栅,压力面误差对气流折转角和静压升影响明显。激波位置和激波强度、激波后扩张通道的流道型线综合决定了叶片表面和叶栅流道内的流动状态,使得近吸力面侧流动损失增大,近压力面侧流动损失减小,其综合效果决定了叶栅损失、气流折转角和静压升的变化。[结论]结果对指导跨声速压气机设计、加工和超差审理均具有重要意义。

高速铁路动静态轨检数据里程对齐与误差修正

轨道几何动、静检测数据间的精确匹配对探明高速铁路线路服役状态和制定准确可靠的养护维修策略具有关键作用。针对动静里程匹配算法研究较少的现状,提出利用动、静态实测数据波形匹配,建立基于互相关函数与动态时间规划相结合的两阶段修正算法,并以距离误差作为评价指标。结合某高铁线路轨道几何检测数据的案例分析,以静态检测数据作为参考基准,对动态检测数据进行里程误差评估与修正。结果表明,两阶段算法修正效果显著,累积距离误差降幅超过93%,修正后的动、静态检测数据严格对齐保证了动态检测数据的可靠性与有效性。

数控机床几何误差单轴五次测量与辨识方法

针对数控机床几何误差项的准确测量与辨识问题,提出了一种基于激光干涉仪的机床空间几何误差单轴五次测量与辨识方法。首先,针对X、Y、Z轴分别设置了一条测量线,测量了3条划定线上除滚转误差外的其他15项几何误差,共计15次测量;然后,分析了转角误差对直线度误差以及直线度误差对定位误差的耦合影响,并建立了误差辨识方程组;最后,根据误差辨识方程组,得到了机床21项几何误差;并进行了单轴五次测量法的测量和辨识实验,并将所得结果与空间九线法测量辨识结果进行了对比分析。研究结果表明:单轴五次测量法与空间九线法测量辨识结果的空间误差向量最大偏差为1.93μm,平均偏差为0.58μm,该结果验证了单轴五次测量法是准确和有效的。该方法考虑了实际测量过程中的误差耦合情况,因此相比于空间九线法,该方法减少了测量线数与测量次数,简化了误差项的求解过程;同时,采用单轴运动方式可以有效避免其他轴对当前运动轴误差的影响。

滑动轴承转子系统中制造误差建模方法的研究

由于滑动轴承工作表面的制造误差与油膜厚度在同一量级(μm)上,制造误差对滑动轴承转子系统运行特性的影响不可忽略。为了更好地表达轴承所含制造误差的完整信息,揭示滑动轴承制造误差对系统运行特性的影响规律,圆柱曲面三维制造误差建模已成为滑动轴承研究领域中的一个研究发展趋势。通过概括滑动轴承制造误差建模方法的国内外研究现状,分析传统误差模型、分形理论误差模型以及SDT三维误差模型的特点,并阐述了三种常用误差模型在滑动轴承中的建模研究,总结了制造误差模型在滑动轴承转子系统中建模的现存问题。通过对比分析表明:SDT三维误差模型能够更加合理地表征滑动轴承完整误差信息,基于SDT的滑动轴承三维误差建模方法在滑动轴承误差建模与运行特性的研究中具有重要意义。

小型光电编码器误差自动检测系统

为了提高小型光电编码器误差检测的精度和效率,拓展编码器误差检测的应用,设计了一种误差检测系统。通过对编码器误差来源分析,以步进电机为动力,DSP芯片为数据采集与电机驱动核心,21位高精度编码器为角度基准,搭建了可进行编码器动态误差与静态误差自动检测的系统。并通过对误差的分析与拟合,实现了对编码器的误差补偿,提高了被检编码器测量精度。经实际检测验证,所设计编码器误差检测系统达到设计要求。

基于EEMD与曲面重构的自由曲面加工误差分解与补偿

为了减小自由曲面零件的加工误差和提高加工精度,提出了集合经验模态分解(Ensemble Empirical Mode Decomposition, EEMD)与曲面重构结合对加工误差进行分解和补偿的方法。利用EEMD对在机检测得到的第一次切削加工后的加工误差进行分解,得到若干固有模态函数(Intrinsic Mode Functions, IMFs);根据系统误差特征,通过设置相关系数阈值筛选出加工误差中含有系统误差的IMFs分量(即分解出的系统误差);根据该系统误差,利用曲面重构法得到新的加工曲面,并生成新的NC代码,再次进行切削加工,对系统误差进行补偿。通过EEMD加工误差分解仿真分析可以得出,EEMD具有较为理想的加工误差分解能力。自由曲面零件加工实例结果显示,采用本文提出的方法对加工误差进行补偿后的最大绝对加工误差由0.0632mm降为0.0139mm,平均绝对加工误差由0.0491mm降为0.0052mm,加工精度提高了89.4%,证明了该方法在自由曲面零件加工误差补偿方面的有效性。

3DP工艺中阶梯误差与渗透误差相互作用研究

3DP工艺中影响零件成型精度的原理性误差主要来源于阶梯误差和黏结剂渗透误差,并且在误差测量结果中难以区分.本文基于黏结剂在砂床中的流动状态,建立了黏结剂从喷射到渗透过程的数值仿真模型,分析了在二维平面不同角度三角面片打印时理想模型边界和实际黏结砂粒边界之间的位置误差,研究了阶梯误差和渗透误差之间的相互作用.在此基础上,针对不同角度三角面片打印过程中阶梯误差与黏结剂渗透误差相互作用关系也不相同的问题,提出了基于三角面片法向量方向与成型方向夹角的三角面片偏移误差公式用于表达这两种误差对成型质量的综合影响.结果表明:在向上三角面片中,渗透误差与阶梯误差相互补偿,三角面片偏移误差随着斜面与水平面夹角角度的减小而减小;在向下三角面片中,阶梯误差与渗透误差相互叠加,三角面片偏移误差随着斜面与水平面夹角角度的减小而增大.将三角面片偏移误差的公式计算值与其实际测量值进行对比,公式计算误差最大为0.060 mm,最小为0.002 mm,表明三角面片偏移误差公式用于表达阶梯误差与黏结剂渗透误差综合作用的有效性.

考虑多源误差影响的谐波减速器传动误差建模与分析

为解决现有谐波减速器传动误差建模方法的不足,提出一种考虑装配误差、齿面误差的综合误差建模方法。该方法首先建立装配误差和齿面误差数学模型,并进行误差影响参数分析。其次,测量实验样机装配偏心量和歪斜角度,基于模型得到对应偏心误差、歪斜误差模型理论值,齿面加工误差幅值按一般加工工况大小代入模型,得到对应加工误差模型理论值;然后,分别进行500 h、1500 h、3000 h时长的磨损实验,磨损后进行齿面形貌扫描和数据分析,得到对应的齿面形貌参数,基于模型得到对应的磨损误差模型理论值。最后,综合考虑多源误差影响,设置3组同型号样机,进行传动误差实验。实验结果表明:考虑装配偏心、歪斜和齿面加工等影响因素,传动误差的实验测量值与模型理论值误差在1.7~3.3%之间;综合考虑装配偏心、歪斜、齿面加工、齿面磨损等影响因素,在磨损500 h、1500 h、3000 h后传动误差的实验测量值与模型理论值误差分别在-3.45~2.07%、-5.88~-2.94%、1.33~5.33%之间。

数控机床旋转轴多自由度静/热误差同步测量与建模

针对现有的数控机床旋转轴误差测量与建模方法仅考虑多自由度静态几何误差或单自由度热误差单独作用的影响,未考虑几何误差和热误差耦合影响的问题,提出了一种基于球杆仪的数控机床旋转轴多自由度静/热误差同步测量与建模方法。首先基于齐次坐标变换建立球杆仪杆长变化模型,再基于该模型使用非齐次线性方程组建立静/热误差辨识模型;其次设计了适应多自由度静/热误差同步测量的球杆仪安装模式以缩短测量时间,减少热逸散对测量结果的影响;再次基于卷积长短期记忆神经网络(CNN-LSTM)建立旋转轴多自由度静/热误差预测模型;最后在数控蜗杆砂轮磨齿机的C轴上进行误差测量实验,对多种转速下的旋转轴多自由度误差进行快速辨识,并通过CNN-LSTM静/热误差预测模型对多自由度误差和球杆仪杆长变化进行预测,以验证所建模型的准确性。

螺纹参数误差对钻杆接头密封性的影响分析

为探究钻杆接头螺纹参数极限误差对其密封性的影响,基于API NC38钻杆接头,分析了锥度、牙侧角和螺距3种螺纹参数极限误差的存在情况,建立了12种内、外螺纹极限误差组合的钻杆接头有限元模型,分析了不同误差组合的钻杆接头在上扣扭矩单独作用、上扣扭矩和轴向载荷组合作用下的密封性和应力分布。分析结果表明:螺距极限误差对钻杆接头密封性影响最为明显,且极易出现接触面屈服失效的情况;锥度极限误差使钻杆接头在受拉伸载荷时密封性显著降低;内外螺纹牙侧角极限误差变化情况相反时,钻杆接头局部出现塑性变形,影响密封效果。因此钻杆接头螺纹加工时有必要进一步控制螺纹参数的误差范围,避免出现标准规定的极限误差,降低钻杆接头密封失效的风险。研究结果可为快速、安全钻井提供技术支撑。

基于输入整形的丝杠传动的振动误差补偿

针对丝杠传动系统中存在的由机械结构弹性形变产生的振动误差,首先,通过改进集中参数法与分布式参数法相结合的方法建立系统拉格朗日方程,从而求得动力学模型,得到X、Y方向上的传递函数,并将闭环传递函数进行降阶处理;然后,在Simulink中仿真实验,根据降阶函数计算输入整形器参数,分别比较ZV输入整形和ZVD输入整形的误差补偿效果;最后,在自主研发的实验平台进行应用验证:在负载较轻的X轴运动时,两种补偿方法稳定性相差不多,ZV输入整形器调整时间更短;而在负载较重的Y轴运动时,ZVD输入整形器更稳定。