[00941087]数控机床动态误差分析关键技术与应用

该项目属於机电一体化领域，涉及到数控机床的测控、设计、制造、运行与维护。数控机床的高速高精度化是提高产品制造效率和质量的主要途径。随着机床速度的提高，热误差对机床精度的影响更加明显，动力学效应对机床精度的影响更加显著，导致数控机床动态误差显著增大，严重制约着数控机床性能的发挥。数控机床的动态精度已经成为决定数控机床能否实现高速高精度性能的关键，研究数控机床的动态特性影响因素、动态误差测量分析与消减技术，对提高中国数控机床以及制造业水平具有重要意义。该项目成果主要来源于国家863计划先进制造技术领域课题“高档数控机床综合动态特性在线测试系统(2008AA042405)”、陕西省重大科技创新专项资金项目“高档数控机床综合动态特性在线测试仪研制(2009ZKC01-09)”和国家高档数控机床与基础制造装备科技重大专项“高速精密数控机床动态综合补偿技术(2009ZX04014-023)”等课题的研究。历时十余年，主要成果如下：提出了基于反馈元件信号采集的数控机床进给系统动态特性测试及辨识方法；揭示了机床进给机构的摩擦干扰与动态误差产生的内在规律，发明了动态误差测量、伺服系统控制参数优化与补偿方法；解决了高速数控机床进给机构动态误差的在线测量和实时补偿问题。揭示了数控机床滚珠丝杠、导轨和编码器等部件的装配、磨损等因素对机床动态误差的影响规律；提出了利用数控机床反馈控制信号进行齐次坐标变换的空间轨迹误差分析方法；实现了数控机床动态误差的分离与消减；揭示了数控机床控制信号在时域、频域和位置域中的表达特征及其与动态特性的关联关系；发明了基于EMD/EEMD自适应分解方法及谱峭度准则分析的数控机床动态特征获取方法；解决了从复杂测量信号中进行动态误差特征分析问题；提出了一种基于机床进给系统结构模态自激励和ARMA模型的数控机床进给系统动态特性测试及辨识方法。发明了通过设计与规划进给系统的运动、同步采集进给系统内置控制信号的模态及刚度参数测试与辨识技术。解决了数控机床动态特性的关键模态参数的激励与识别问题；提出了一种基于频域三点法的高速主轴圆度误差和轴心轨迹分离方法，发明了一种高速主轴轴心轨迹、振动、温升等动态特性在线测试方法；实现了高速主轴动态误差的高精度在线识别与建模补偿；发明了基于数控机床控制信号的多传感器信号同步采集和调制技术，发明了一种数控机床动态特性测试仪，解决了数控机床动态特性测量与分析以及实现加工过程中的在线监测与故障诊断等现场应用问题。研制开发的数控机床动态特性测试仪，能够获取包括数控系统反馈控制信号在内的各种数控机床动态信号，克服了现有机床特性测量中广泛采用的激光干涉仪、球杆仪等仪器需要专门的传感器、只能离线测量的缺陷。具有可以利用数控机床内置传感器(光栅、编码器、电流)等信号全面分析数控机床振动状态、动态误差特征(如间隙、反向越冲、摩擦特性等)、并进行实时显示和长时间保存等优点，能够实现数控机床动态特性分析、现场监控、动态误差分离与消减，满足了数控机床加工过程进行在线监测以及机床设计制造阶段数据积累等需求。数控机床动态误差分析与关键技术相关成果在秦川机械发展公司、沈阳机床公司、大连机床公司、昆明机床公司等中国大型骨干数控机床制造企业得到实际应用，相关软件嵌入到广州数控、大连高金等数控系统。大型数控磨齿机YK73200实现了高于4级精度的齿轮加工，高速数控加工中心VMC0745加工误差降低58%。开发的数控机床动态特性测试仪，通过了国家机械工业机床产品质量检测中心(昆明)的第三方检验。技术应用于7项国家重大科技专项任务的多种型号数控机床研制，为国家大型骨干机床制造企业开发具有国际先进水平的高档数控机床，完成国家高档数控机床重大科技专项任务提供了保证，有力地提高了中国机床制造行业的竞争力。技术应用累计产生的经济效益近4亿元人民币。在研究工作基础上，发表相关论文56篇、被国内外同行他引228次。申请发明专利12项，授权6项，获软件著作权4项。2篇关于数控机床动态特性研究的博士论文连续获得中国机械工程学会承办评审的“上银优秀机械博士论文奖”。随着中国制造业结构的升级，高档数控装备在运行中的精度、可靠性对企业的生产效益和经济效益具有重要影响，因此该项目研发的相关成果有望进一步得到推广应用，对机械制造行业的技术进步起到重要的推动作用。