丝杠磨床在线误差补偿系统设计与研究

论文摘要

本文以江苏省学者攀登计划项目“精密数控螺纹磨床智能磨削方法与关键技术研究”为背景,针对当前丝杠磨床误差在线检测与补偿技术现状的不足,提出基于时间序列预报和自校正反馈控制的误差补偿方法,解决国内丝杠磨床加工精度偏低的问题,提高滚珠丝杠磨削的质量和精度水平。通过分析丝杠磨床误差的种类及其产生的原因,认为丝杠磨削加工的误差种类繁多,因素复杂,不利于单独测量和补偿,提出一种“黑盒”理论,即把所有影响丝杠磨削加工导程和行程的误差看作不知内部结构的“黑盒”,只对最终误差补偿。构建了系统预报补偿总体方案,搭建了实验系统,介绍了实验系统的功能和系统工作流程。误差序列预报是本文的核心,通过分析丝杠磨削误差特性,从实用性和建模统一性原理出发建立了平稳序列模型和削除趋势的非平稳序列模型分别对两种特性误差预报,采用加权最小二乘法对模型参数进行估计,导出由低向高定阶次并判定是否合适的模型阶次辨识方法,提出对序列模型输出进行适时修正的误差预报方法,根据反馈补偿控制要求,建立了最小方差自校正的误差补偿模型。构建了预报仿真软件和实验台实时补偿控制软件系统,对本文所提方法进行验证。预报仿真采用大量的多种工况下的丝杠磨床加工误差数据,得到的结论具有普遍的意义,仿真分析了不同加权系数和不同采样点数对预报结果的影响,得出最优取值范围,为真实系统选择参数提供依据；在实验台上进行的补偿控制实验验证了本文所提出的预报补偿控制方法的可行性,误差预报精度在80%以上,平均补偿率也在80%以上,补偿后误差减小64%以上,证明了其可以显著提高加工精度。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 目录
• 1 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 误差补偿技术
• 1.2.1 提高机床精度的常用方法
• 1.2.2 实时在线误差补偿技术
• 1.2.3 机床误差补偿技术的可行性与特点
• 1.2.4 误差补偿技术的发展趋势
• 1.3 丝杠磨床误差补偿技术的研究现状
• 1.3.1 国内丝杠磨床误差补偿技术现状
• 1.3.2 国外丝杠磨床误差补偿技术现状
• 1.4 课题背景和研究内容
• 1.5 章节安排
• 2 误差在线检测与补偿系统设计
• 2.1 丝杠磨削加工误差分析
• 2.2 丝杠磨床误差在线检测方法
• 2.3 系统补偿控制策略
• 2.3.1 当前系统补偿控制方法
• 2.3.2 时间序列预报方法
• 2.3.3 自校正控制方法
• 2.4 误差预报补偿系统设计
• 2.4.1 系统布局方式
• 2.4.2 系统总体方案设计
• 2.4.3 系统工作流程
• 2.5 实验系统功能及硬件选型
• 2.5.1 实验系统功能
• 2.5.2 关键硬件选型
• 2.6 本章小结
• 3 误差序列的建模与预报
• 3.1 时间序列预报分析
• 3.1.1 时间序列分析
• 3.1.2 预报丝杠磨削行程误差的可行性
• 3.1.3 预报模型建立过程
• 3.2 动态数据的检验与预处理
• 3.3 误差序列建模
• 3.3.1 误差序列模型的初步识别
• 3.3.2 平稳序列建模
• 3.3.3 非平稳序列建模
• 3.4 模型的参数估计
• 3.4.1 时间序列模型参数估计方法
• 3.4.2 最小二乘法参数估计
• 3.4.3 最小二乘法的递推估计
• 3.4.4 加权最小二乘法参数估计
• 3.5 序列模型定阶
• 3.5.1 确定模型阶次方法
• 3.5.2 FPE信息准则确定模型阶次
• 3.6 预报模型的检验
• 3.6.1 模型的适应性检验
• 3.6.2 参数的显著性检验
• 3.7 序列模型的修正预报
• 3.8 本章小结
• 4. 误差的自校正反馈补偿控制
• 4.1 自校正控制及其用于误差控制系统的必要性
• 4.2 自校正控制建模
• 4.3 自校正模型的参数估计
• 4.4 本章小结
• 5 实验分析
• 5.1 实验软件设计
• 5.1.1 预报仿真软件设计
• 5.1.2 控制补偿实验软件设计
• 5.2 预报仿真实验及模型参数分析
• 5.2.1 预报仿真分析误差数据的来源及分析结果
• 5.2.2 最佳采样点对预报结果的影响
• 5.2.3 加权系数对预报结果的影响
• 5.2.4 选择合理参数时的预报效果
• 5.3 预报补偿实验及结果分析
• 5.3.1 实时采集预报
• 5.3.2 实时预报和直接补偿
• 5.3.3 预报和自校正控制补偿
• 5.4 本章小结
• 6 总结与展望
• 6.1 本论文的主要研究成果
• 6.2 研究工作展望
• 致谢
• 参考文献
• 附录