三坐标测量机的热变形和神经网络误差补偿研究

　　三坐标测量机被认为是机床的一个特例。和机床相比,它既没有切削热,机器内部产生的热量也很少[1]。因此,对其热误差的研究也应采用特殊方式。

　　通常的测量机是设定工作在温度可控的恒温环境中。但实际上很难保持温度控制在±1℃的范围内。在热力学模型中,热误差有两种描述方式:一种是可以用材料的热膨胀系数和温度变化计算的线性热伸长[2];第二种是由于在测量机结构中的温度梯度引起的方向和幅值很复杂的误差。三坐标测量机的热行为除了热源的影响外,其它因素也不能忽视、其中有:

　　1)不同的材料会产生不同的热变形,如测量机的大理石工作台、铝结构机架、金属标尺等;

　　2)机器构件的形状和尺寸不同以及支承方式不同使热变形不一致;3)由于传动链间隙、导轨间隙、弹性变形和摩擦等引起的热滞现象[3]。改进测量机的热性能和减少热变形误差的措施有以下几方面:1)设计上的改进,包括材料和结构,采用高导热性的铝合金可以大大减少同一构件中的温差,从而减少热变形和角位移以及阿贝误差[1]。2)标定机器时考虑非标准温度时的情况[4];

　　3)隔离和减少热源的影响;

　　4)软件补偿。软件补偿是指建立机器的热行为数学模型,通过数控系统实时补偿测量机热变形误差。这是一种基于在机器工作过程中在线监测温度变化的间接补偿方式。当测量机工作的环境温度不在标准的20℃时,对测量机的各项测量误差均会有不同程度的影响。本课题就环境温度改变采用神经网络模型补偿三坐标测量机的热变形误差进行研究,目的是提高测量机热精度稳定性并且能够在普通无控温环境中使用。

　　1　三坐标测量机的热行为

　　1·1　温度和热变形测量

　　实验研究是在一台小型数字控制三坐标测量机上进行的,机器结构见图1。

　　测量机除工作台是大理石的之外,其他机器结构包括机座、支架、导轨和横梁等均由铝制成。铝结构使机器的导热性能大大提高,但缺点是材料的热膨胀系数大,因而导致在非20℃标准工作温度时的热变形误差[5]。

　　测量温度的传感器设置如图1所示。多个温度传感器配置在机器的不同位置,包括构件的外面和里面,是为了探测在各种工作条件下测量机上温度的分布和变化情况。三个位移传感器装在工作台上,测量测头相对于工作台的热变形位移即误差(见图2)。

　　1·2　热行为特点

　　影响机器热变形的热源分为两类,即内部热源和外部热源。由于测量机要求工作在空调房间,避开如阳光等不正常热源,所以,外部热源主要是室温不在 20℃时的环境情况。内部热源有各轴向运动驱动电机的发热和摩擦热等,红外摄像表明,发热最大的是X、Y向驱动电机。测量试验表明,内部热源引起的热变形相对较小。在最大速度反复进给加载时,在工作台上测量的最大位移为4μm,在横梁上的最大温升为1℃。试验表明,内部热源和外部热源相比,内部热源对热变形误差的影响远小于外部热源的影响。三坐标测量机热变形误差主要发生在环境温度变化和不在标准温度20℃时。在这种情况下对测量机的各项测量误差均会有不同程度的影响。本课题仅就改变环境温度时对测量机的测量头和工作台的相对热漂移误差进行测量,并分析热行为特点以及提出相应的补偿策略。