一种机床工作空间热误差辨识模型建立方法与流程

本发明涉及机床热误差建模方法，特别是一种机床工作空间热误差辨识模型建立方法。
背景技术：
：近年来，我国制造业数控机床技术迅猛发展，但机床内外热源引起的热误差却严重制约机床加工精度的提高。研究表明，在高速、高精密数控机床加工过程中，数控机床各部件受热引起的误差占总误差的40％以上。因此，如何快速辨识和补偿各轴单项热误差是提高数控机床加工精度的关键。目前，获取各轴单项热误差的主要方法有直接法和间接法两种。直接法是采用激光干涉仪等对各轴单项热误差进行直接测量，但由于机床热误差项目较多，故该类方法难以实现所有单项热误差的测量；间接法是先建立热误差-温度映射模型，再通过检测机床各关键点的温度来求解各轴单项热误差，该类方法能够实现一定精度的热误差辨识，但由于热误差与温度之间的映射模型是非线性的，且温度测量耗时较长，所以热误差测量结果存在迟滞性，从而导致该类方法不能实时准确的反映机床热误差。技术实现要素：本发明为解决公知技术中存在的技术问题而提供一种机床工作空间热误差辨识模型建立方法。本发明为解决公知技术中存在的技术问题所采取的技术方案是：一种机床工作空间热误差辨识模型建立方法，包括如下步骤：步骤一：测量工作空间指定点处x、y、z方向刀具与工件末端相对热误差；步骤二：基于多体理论建立各轴单项热误差与末端热误差映射模型；步骤三：将各轴单项热误差用多项式表示，基于热误差映射模型建立各轴单项热误差系数辨识方程组；步骤四：基于最小二乘法求解各轴单项热误差系数。进一步地，所述步骤一中，测量工作空间指定点处x、y、z方向刀具与工件末端相对热误差采用一种机床空间热误差的测量装置，包括位移检测组件和测量组件；所述位移检测组件包括固定在主轴x、y、z方向三个位移传感器，且保持两两正交；所述测量组件包括固定在工作台上各测点处铟钢块；所述步骤一中，测量工作空间指定点处x、y、z方向刀具与工件末端相对热误差的具体步骤为：步骤1-1：在冷机状态下，所述x、y、z方向位移传感器通过检测每个所述标准铟钢块的x、y、z方向三个面的距离来确定预设测点相对基准原点的位置信号；步骤1-2：机床稳定运行一段时间，所述位移传感器再次检测每个所述标准铟钢块的预设测点相对基准原点的位置信号；步骤1-3：计算两次测量数据的差值，得到各预设测点处x、y、z方向的热误差。进一步地，所述步骤二中，基于多体理论建立各轴单项热误差与末端热误差映射模型的具体步骤为：步骤2-1：根据机床的实际结构建立机床的机构拓扑图；步骤2-2：采用低序体阵列描述机床各部件之间的拓扑结构；步骤2-3：采用齐次变化矩阵描述各部件之间的几何特征，再根据平移和旋转齐次变换特征矩阵建立机床相邻部件之间的理想特征矩阵和误差特征矩阵；步骤2-4：根据刀尖点和工件加工点的理想位姿和实际位姿得出机床热误差；步骤2-5：采用各轴单项热误差作为变量建立热误差映射模型。进一步地，所述步骤三中，将各轴单项热误差用多项式表示，基于热误差映射模型建立各轴单项热误差系数辨识方程组的具体步骤为：步骤3-1：将各轴单项热误差用多项式表示；步骤3-2：将多项式表示的各轴单项热误差带入机床热误差映射模型，得到以各轴单项热误差系数为变量的辨识方程组。进一步地，所述步骤四中，基于最小二乘法求解各轴单项热误差系数的具体步骤为：步骤4-1：将所述步骤一所测空间测点数据带入步骤三所述辨识方程组建立以各轴单项热误差系数为变量的超静定辨识方程组；步骤4-2：所述超静定辨识方程组可采用最小二乘法求解各轴单项热误差系数。本发明具有的优点和积极效果是：该方法通过对机床工作空间各点刀具与工件末端热误差的测量可实现各轴单项热误差的快速辨识，测量操作快捷方便、辨识精度高。附图说明图1为本发明的方法流程框图；图2为机床空间热误差测量装置结构示意图；图3为卧式加工中心结构图；图4为检测过程示意图；图5为卧式加工中心拓扑图；图中：0、床身；1、滑座；2、工作台；3、测量组件；4、立柱；5、溜板；6、主轴箱；7、主轴；8、检测组件。具体实施方式为能进一步了解本发明的
发明内容、特点及功效，兹例举以下实施例，并配合附图详细说明如下：请参阅图1，一种机床工作空间热误差辨识模型建立方法，包括如下步骤：步骤一：测量工作空间指定点处x、y、z方向刀具与工件末端相对热误差；步骤二：基于多体理论建立各轴单项热误差与末端热误差映射模型；步骤三：将各轴单项热误差用多项式表示，基于热误差映射模型建立各轴单项热误差系数辨识方程组；步骤四：基于最小二乘法求解各轴单项热误差系数。请参阅图2，测量工作空间指定点处x、y、z方向刀具与工件末端相对热误差采用一种机床空间热误差的测量装置，包括位移检测组件8和测量组件3；所述位移检测组件8包括固定在主轴x、y、z方向三个传感器；所述测量组件3包括固定在工作台各预设测点处铟钢块。参阅图3，以某卧式加工中心为例进一步具体说明，该加工中心由机床床身0、滑座1、工作台2、测量组件3、立柱4、溜板5、主轴箱6、主轴7、检测组件8等结构件组成，立柱4固定在床身0上，溜板5在立柱4上沿x轴向运动，主轴箱6在溜板5上沿y轴运动，工作台2固定在滑座1上，滑座1在床身0上沿z轴运动。进一步地，所述步骤一中，测量工作空间指定点处x、y、z方向刀具与工件末端相对热误差的具体步骤可为：步骤1-1：请参阅图4，在冷机状态下，所述x、y、z方向三个位移传感器通过检测每个所述标准铟钢块两两正交三个面的距离来确定预设测点(即铟钢块的中心点)相对基准原点的位置信号。步骤1-2：机床稳定运行一段时间，所述位移传感器再次检测每个所述标准铟钢块的预设测点的位置信号。步骤1-3：计算两次测量数据的差值，得到工作空间各预设测点处x、y、z方向的热误差。进一步地，所述步骤二中，基于多体理论建立各轴单项热误差与末端热误差映射模型的具体步骤可为：请参阅图4，以某卧式加工中心为例进一步具体说明，该加工中心由机床床身0；滑座1；工作台2；测量组件3；立柱4；溜板5；主轴箱6；主轴7；检测组件8等结构件组成。立柱4固定在床身0上，溜板5在立柱4上沿x轴向运动，主轴箱在溜板5上沿y轴运动，工作台2固定在滑座1上，滑座在床身0上沿z轴运动。步骤2-1：可根据机床的实际结构建立机床的机构拓扑图，请参阅图5。步骤2-2：可采用低序体阵列描述机床各部件之间的拓扑结构，请参见表一；表1卧式加工中心机构低序体阵列典型体j12345678l0(j)12345678l1(j)01204567l2(j)00100456l3(j)00000045l4(j)00000004l5(j)00000000步骤2-3：可采用齐次变化矩阵描述各部件之间的几何特征，各轴单项热误差符号表示请参见表二。以各部件重心点为原点分别建立床身坐标系o0、立柱坐标系o4、溜板坐标系o5、主轴箱坐标系o6、滑座坐标系o1和工作台坐标系o2。在初始状态下，立柱坐标系原点o4在床身坐标系o0下坐标为(0，y04p，0)；溜板坐标系原点o5在立柱坐标系o4下坐标为(0，0，z45p)；主轴箱坐标系原点o6在溜板坐标系o5下坐标为(0，0，z56p)；滑座坐标系原点o1在床身坐标系o0下坐标为(0，y01p，z01p)；工作台坐标系原点在滑座坐标系下的坐标为(0，y12p，0)；溜板坐标系相对立柱坐标系移动x45s；主轴箱坐标系相对溜板坐标系移动y56s；滑座坐标系相对床身坐标系移动z01s。根据平移和旋转齐次变换特征矩阵可建立机床相邻部件之间的理想特征矩阵和误差特征矩阵，请参见表三；表2各轴单项热误差符号表示表3理想特征矩阵和误差特征矩阵符号表示步骤2-4：可根据主轴检测组件检测点(刀尖点)和工作台上测量组件铟钢块固定点(工件加工点)的理想位姿和实际位姿得出机床热误差。设刀尖点在主轴箱坐标系下的齐次坐标值为：设工件上加工点在转台坐标系下的齐次坐标值：刀尖点在床身坐标系下的齐次坐标值为：工件上加工点在床身坐标系下的齐次坐标值：在床身坐标系下刀尖点和工件加工点的综合加工误差为：步骤2-5：可采用各轴单项热误差作为变量建立热误差映射模型为：δp＝aε(2.6)式中，向量ε＝(δx(x)δy(x)......εx(z)εy(z)εz(z)βxzαyzγxy)t为各轴单项热误差向量；a为式2.5提取各轴单项热误差向量后所余热误差映射模型转换矩阵；进一步地，所述步骤三中，将各轴单项热误差用多项式表示，基于热误差映射模型建立各轴单项热误差系数辨识方程组的具体步骤为：步骤3-1：可将各轴单项热误差用多项式表示；设式中，为误差源δi(j)(εi(j))的待辨识热误差系数向量；为对应的映射矩阵。步骤3-2：可将多项式表示的各轴单项热误差式3.1和3.2带入机床热误差映射模型式2.6，得到各轴单项热误差系数表示方程组为：式中，进一步地，所述步骤四中，基于最小二乘法求解各轴单项热误差系数的具体步骤为：步骤4-1：步骤一所测空间m个测点，对于第i个测量位置(i＝1，2...，m)，带入式3.3有δpi＝mip(3.4)所述m个测点带入式3.4有步骤4-2：所述式3.5为超静定辨识方程组，可采用最小二乘法求解各轴单项热误差系数为：步骤4-3：可将所求各轴单项热误差系数向量p带入式3.1和3.2即可求得各轴单项热误差。尽管上面结合附图对本发明的优选实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，并不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可以做出很多形式，这些均属于本发明的保护范围之内。当前第1页12