基于PSO优化NC代码的五轴数控机床几何误差补偿方法

提出一种基于粒子群优化(particle swarm optimization,PSO)算法的数控机床几何误差补偿方法,通过对工件NC代码进行优化来提高数控机床精度。首先,通过对测量误差数据进行拟合,建立每个轴的基本误差项的优化多项式,根据误差定义将多项式常数项设为0,通过F检验来确定最佳多项式拟合阶数。其次,利用机床的正和逆运动学建立刀具位姿与NC代码之间的双向转换,通过SmartCNC500_DRTD五轴机床的后置处理器生成NC代码,将理想NC代码的刀具位姿引入几何误差模型建立数学表达式。最后,提出一种基于PSO算法的NC代码优化方法,将粒子定义为刀具位姿,初始粒子围绕理想刀具位姿生成,改进粒子移动方法以避免局部最优。工件切削实验表明该方法能够得到较优的NC代码,提高了机床的加工精度,验证了本文方法的可行性和有效性。

基于昆虫翅脉仿生流道的数控机床主轴系统冷却结构热设计

主轴系统的热误差是影响数控机床加工精度的主要因素。根据自然界昆虫的翅脉结构,设计了一种基于鳞翅目昆虫翅脉仿生流道的新型主轴系统冷却结构。建立了昆虫翅脉仿生流道冷却结构模型,在数值传热学相关理论基础上,通过Fluent有限元软件对传统螺旋形流道和新型昆虫翅脉仿生流道冷却结构进行流固耦合仿真对比分析,结果显示后者比前者具有更好的散热效果和流动特性:在相同边界条件下,冷却液最大流速约为1.839m/s,出入口压降为3 181Pa,加热面最高温度降低了约17.8%、最低温度降低了约4.6%,且冷却结构的温度场分布更均匀。研究结果可为数控机床主轴系统冷却结构的热设计提供参考。

数控机床主轴-立柱系统热态特性分析与测试

针对数控机床主轴-立柱系统因受热变形而影响机床加工精度的问题,本文基于能量守恒定律建立了主轴-立柱系统耦合分析模型来获取其热态特性。该模型综合考虑了热源计算、传热系数计算、结构约束以及散热面放置情况等因素,并采用风速法来获取主轴与空气间的传热系数。为了验证主轴-立柱系统耦合分析模型的有效性,本文设计并搭建了数控机床热态特性试验平台,以具体数控机床为研究对象获得了其主轴-立柱系统的温度场分布、热变形以及热平衡时间等热态特性。试验结果表明:各测点数据中温度的最长绝对误差和最大相对误差分别为0.71℃,2.94%,出现在主轴体的测点处,热变形的绝对误差和相对误差分别为1.49μm,8.71%,采用风速法建立的主轴-立柱系统耦合分析模型所获得的热态特性与试验获得的结果基本一致。本文的研究成果为数控机床减少热误差,提高精度保持性提供了参考。

数控机床主轴系统多体拓扑优化研究

针对某机床公司生产的精密数控曲面磨床主轴系统的刚度和强度开展了有限元静力学分析,得到了主轴系统的von-Mises应力云图和位移云图,结果表明该主轴系统结构能够很好地满足强度要求,但是材料分布不够合理。在此基础上,对主轴系统进行了多体拓扑优化,优化后的新结构最大应力为6.2367 MPa、最大变形为5.19μm,满足强度和刚度的要求,且主轴体减少了约20.6%的体积和约20.0%的质量,有效地实现了对主轴系统的轻量化设计,为数控机床结构设计与优化提供了有益的参考。

基于热设计的立式数控铣床主轴箱多目标设计与研究

主轴箱作为主轴系统不可或缺的一部分,其热误差是影响数控机床加工精度的重要因素之一。以热设计为核心,通过结合田口法和有限元法,对主轴箱进行多目标优化设计与研究。搭建了主轴系统热态特性实验平台,以某机床厂的立式数控铣床为研究对象,获得其主轴系统的温度数据;根据实验测得的数据建立9组主轴箱优化模型;采用有限元法对温度-结构场耦合的9组模型进行仿真分析,得到各组模型的温度场分布云图和热变形分布云图,并进一步获得主轴箱结构优化结果和较优水平的主次因素参数组合。结果表明:对主轴箱热变形影响程度由高到低的因素为底板长度L、距离B、肋板宽度A、距离C;对主轴箱质量影响程度由高到低的因素为底板长度L、距离B、距离C、肋板宽度A。该研究为降低数控机床研发成本提供了参考。

数控机床旋转主轴上SAW传感器传输和温度测量特性实验研究

无线无源赋予声表面波(surface acoustic wave,SAW)传感器的显著特点使其在与旋转机械结构中其他传感检测技术相比,具有无可比拟的优势。然而,使用这些传感器所遇到的挑战尚未得到充分解决。SAW传感器的射频(radio frequency,RF)信号不仅起到数据传输的作用,还起着给传感系统供能的作用。因为SAW传感器用于旋转主轴监测时处于恶劣的金属环境,因此需要对其传输和测量性能进行研究。本文旨在通过数控(computer numerical control,CNC)机床和自主研发的主轴设备,实验研究SAW传感器在旋转主轴上的传输和测量性能。实验结果表明,SAW传感器的传输和温度测量特性与安装位置和转速密切相关。研究结果将直接指导SAW传感器位置优化、功率设置、错误避免,或者在将来的工作中的纠错。

数控机床主轴热误差测点优化及建模技术研究

为了减少热误差对数控机床加工精度的影响,首先利用热成像仪初步找出机床温升明显的位置,然后利用灰色理论对16个温度测点的试验数据进行优化处理,找出与热误差关联度较高的测点;将优选出的温度测点数据和实测的Z轴热误差数据进行划分,采用GM (1,n)灰色预测和BP神经网络建立热误差预测模型,并在试验机床上进行验证。试验结果表明:采用灰色GM (1, n)模型预测结果与实际测量平均相对误差为10.17%,采用BP神经网络预测与实测结果平均相对误差为5.19%,优于灰色GM (1,n)预测,能起到提高热误差预测精度的作用。

机床主轴热设计研究综述

机床的热态性能已成为影响高速机床工作性能的最重要的因素之一。主轴是机床的关键功能部件,其热态特性在很大程度上决定了机床的切削速度和加工精度,是影响机床精度提升的最重要因素。因此,在主轴的设计阶段减少机床热误差的影响,对于提高机床的热态特性十分重要。在过去的近一个世纪时间中,国内外众多学者针对主轴热设计方法开展了研究探索,基于热设计的过程可以分成三部分内容:热态特性分析方法,热设计与优化方法和热态特性试验方法。先通过主轴热态特性(如温度场分布、热变形、热平衡时间等)建模与分析获取必要的参数,然后以此为基础开展主轴结构设计优化、材料设计优化和冷却系统设计等热设计措施,获得较佳的主轴热态特性,最后通过热态特性试验来校验分析和设计优化的结果,整个过程循环直至达到满意结果为止。本文以此为脉络展开,分别探讨了三部分内容的国内外典型研究现状、主要研究内容和所存在的优缺点,并对未来的研究趋势进行了展望。

基于改进的自适应渐消UKF机床主轴热平衡试验

数控机床的主轴热平衡试验是进行热误差建模和补偿的必要手段,是准确获得数控机床主轴的热敏感点、温度场和热位移以及热平衡时间等热态特性的方法。本文提出一种基于改进的自适应渐消无迹卡尔曼滤波(Adaptive fading unscented Kalman filter,AFUKF)的快速辨识机床主轴选点温升的方法。首先,在标准UKF中引入渐消因子,使用残差归一化自动更新渐消因子,并将其引入增益矩阵,增强测量值在计算中的权重;其次,通过使用自适应规则,动态调整过程噪声和测量噪声协方差阵,减少外部扰动对温升预测的影响,以获得更好的滤波性能。仿真结果表明,提出的机床主轴温升快速辨识方法可以在很短的时间内预测选点的温升,且预测结果与热平衡试验结果吻合,验证了本文方法的可行性和有效性。

基于不规则元胞的主轴温度-结构场耦合热拓扑优化设计方法

为了适应复杂的几何形状,避免传统的规则矩形元胞不能均匀地覆盖设计区域的问题,实现主轴结构耦合场热拓扑优化设计,提出基于不规则元胞的混合元胞自动机法(HCAM)耦合场主轴热拓扑优化设计方法.该方法以数值传热学的相关理论为基础,用三角形元胞来替代传统的矩形元胞,并引入局部网格细化的思想,在应力集中或应变急剧变化的区域实现局部元胞细化,使得整个结构的元胞尺寸自适应变化.通过案例对比分析验证了该方法的可行性,该方法可以有效地适应复杂结构形状、减少元胞单元和有限元网格的数量以及降低元胞单元与有限元网格之间映射的难度.利用不规则元胞的HCAM对主轴结构进行不同工况下的温度-结构场耦合热拓扑优化设计研究,最终获得的热拓扑优化构形结果不仅减少了主轴结构材料,而且改善了其热态特性.

主轴系统仿蜂巢冷却结构流固耦合热设计研究

主轴系统的热误差是影响数控机床加工精度的重要因素。受自然界蜂巢分形结构的启发,设计了一种基于蜂巢仿生流道的主轴系统冷却结构,并建立了蜂巢仿生流道冷却结构模型。在数值传热学相关理论基础上,通过Fluent有限元软件对蜂巢仿生流道(单孔和多孔流道截面结构)和螺旋形流道冷却结构方案进行仿真计算,流固耦合分析结果显示两种前者流道结构比后者的流动特性较好,散热效果更好。在同等边界条件和冷却液体积相同情况下,多孔蜂巢形流道截面结构比单孔蜂巢形流道截面结构的散热效果更理想、温差更小。研究结果可以为主轴系统的冷却结构乃至电子元器件等微系统结构热设计提供参考。

基于谐振型无源SAW传感器的制造系统热监测通信特性实验研究

为研究声表面波SAW(Surface Acoustic Wave)传感器在制造系统中的通信特性,基于SAW技术,应用单端口谐振器,构建了制造系统中常见的两种情形,金属环境和旋转结构的温度测量装置。首先,分析了谐振型无源SAW传感器的温度测量原理,使用功率指标表示信号强度,以接收功率的对数来表达;其次,使用CST NWS仿真软件进行了金属板对无线信号通信特性影响的仿真实验,基于上述仿真模型在实际环境中使用金属板来验证仿真结果;最后,使用模拟主轴进行了旋转条件下的传输特性实验。实验结果表明,为保持SAW传感器的测量和数据传输性能,在制造系统中SAW传感器的最佳位置应考虑天线角度、方向、主轴转速、金属板位置和质询器天线与SAW传感器天线间隔距离等因素。研究结果将指导制造系统监测中SAW传感器的应用,并提供SAW传感器性能优化的理论依据。

接触热阻效应下的数控机床主轴系统热态特性

为了更为精确地获取数控机床主轴系统的热态特性,基于W-M分形函数与赫兹接触理论获取主轴系统的接触热阻,并在综合考虑机床热源、传热系数计算等因素影响的情况下,建立了主轴系统热态特性分析模型。通过有、无加载接触热阻的主轴系统模型仿真分析与实验研究可知:有接触热阻的主轴系统热态特性模型相较于无热阻的有更高的精度。有接触热阻的主轴系统热态特性模型仿真结果与实验测点获得的温度结果最大绝对误差和相对误差分别1.25℃、4.74%,而热变形结果的绝对误差和相对误差分别为0.73μm、4.27%。该研究为数控机床的热设计与分析提供了参考。