数控机床全误差模型和误差补偿技术的研究

加工精度是数控机床必须保证的一项性能指标。提高机床精度是先进制造技术的重要课题 ,有误差避免和误差补偿两种方法。前者使机床造价大幅上升 ,而且精度的提高也有一定的限度。后者的精度提高几乎没有限制 ,对数控机床 ,计算机实时误差补偿技术是一种经济、有效的基本途径。基于多体系统理论 ,推导了多坐标数控机床 ,包含几何误差和热误差的全误差模型。文中介绍了坐标数控机床项误差的辨识方法 (2 2线、14线和 9线法 ) ,还介绍了回转坐标 6项误差的辨识方法。通过软件补偿 ,在 3坐标联动和 4坐标联动数控机床上实现了几何误差和热误差的补偿。实践结果表明误差模型的准确性和补偿方法的实用性。

直线时栅传感器全误差模型与误差修正方法研究

为了进一步提高直线时栅位移传感器的测量精度,在建立该传感器周期误差、阿贝误差、热膨胀误差的全误差模型基础上,提出了一种组合校准的方法,利用傅里叶谐波分析和材料线膨胀原理对直线时栅的各种误差进行修正,修正后的精度可达±0.5μm/m。实验证明:该方法解决了直线测量中误差难以分离的问题,同时解决了计算机连续自动采样问题,提高了标定效率,使该方法广泛地应用于生产实践成为可能。

一种零耦合滚齿全误差模型及其预测方法

为了降低滚齿全误差模型的求解难度,建立了机床误差模型与工件加工精度之间的映射关系,同时对滚齿加工误差进行准确辨识与预测,提出了一种将滚齿全误差模型分解为两个完全独立的子模型并进行协同计算的方法,可以提高滚齿全误差模型在误差辨识、预测中的可操作性。利用齐次坐标变换建立机床误差传递模型,依据共轭曲面的空间啮合特性,对滚齿加工理论齿廓进行了精确计算。利用齿廓误差的折算方法,将机床误差参量折算成齿廓误差,从而得到实际加工齿廓,通过对比,即可得到齿形、齿向、齿距等误差值,从而建立起了机床各误差参量与齿轮加工误差之间的完整映射关系。进一步在滚刀存在偏心的情况下进行直齿滚切实验,并将齿轮检测结果与文中模型的预测结果进行对比,表明该模型的计算结果与检测结果高度契合(相对误差≤5%),充分说明了该模型的正确性与实用性。滚齿加工误差的准确辨识与预测也使滚齿加工虚拟化成为可能,为构建机床信息物理系统模型和实现预测式制造提供了重要的技术支撑。

全系统动态误差建模理论分析与应用

对测量系统进行动态特性和精度理论研究必须建立测量系统的数学模型。针对传统建模方法的缺陷,研究分析了全系统动态误差建模理论与方法,该建模理论与方法充分考虑了系统内部各组成环节的信息,建立的模型能够反映实际测量系统内部各结构单元的传递特性随时间变化对系统测量精度的影响。该建模理论与方法具有普遍的适用意义,不管是动态测量系统还是静态测量系统,用该建模理论与方法都能够建立其全误差模型。最后利用全系统动态误差建模理论与方法建立了测微系统(百分表)的全误差模型,并进行了实验验证。

动态测量误差的希尔伯特-黄分解

针对傅立叶变换、小波变换等方法在分解动态测量误差时存在的不足,即选用不同的基函数会导致不同的分解结果,提出了基于希尔伯特-黄变换(HHT)的动态测量误差分解方法。该方法不需要选取基函数,可以自适应地分解动态测量误差信号;对一个混联式动态测量系统建立了全系统误差模型,并用该方法对测量系统的总误差信号进行了分解;与傅立叶变换、小波变换的分解结果相比,希尔伯特-黄变换的分解结果更准确,与测量系统的误差理论模型基本一致。

利用云对称性假定分析微波成像仪全天空偏差特征

星载微波成像仪全天空观测资料包含了云和降水的信息,但全天空的观测误差不满足资料同化中观测误差为高斯分布的要求。根据欧洲中期天气预报中心提出的云对称性假定,建立了风云三号C星微波成像仪(Fengyun-3C Microwave Radiation Imager,FY-3C MWRI)资料全天空观测误差模型,选取超强台风玛莉亚和利奇马作为研究个例,将全天空观测辐射率进行质量控制和标准化之后分析了全天空的初估场偏离值(first-guess departure,FG departure)特征。结果显示:在云对称性假定下,FY-3C MWRI所有通道的全天空初估场偏离值均接近高斯分布,可以用于观测资料的误差分析;较传统微波晴空资料误差分析模型,基于云对称性假定的全天空观测误差分析模型新增了43.90%~54.63%的卫星观测资料分析,新增观测资料主要来自台风螺旋云带和云墙部分区域。文章初步挖掘了FY-3C MWRI全天空观测资料的可同化潜力,对进一步提高国产风云卫星微波资料在数值预报中的利用率有实际应用价值。

动态测量系统均匀设计理论研究

在建立全系统"白化"误差模型的基础上,依据动态误差分解与溯源的结果,提出了动态系统均匀设计的理论和基本方法。首先根据动态系统总精度损失规律,采用神经网络误差分解方法,得到各组成单元的精度损失函数。通过对各单元精度损失的不均匀性和不合理性分析,按照等寿命设计原则,对系统薄弱环节的精度损失函数进行了均匀设计建模,指出了提高系统寿命的途径和方法。仿真实例证明,该理论与方法是正确的、有效的。