设计与研究DesignandResearch
2018年第5期
基于时序算法的主轴轴向热误差建模与应用
张永宏①黄贤存①孙帅①姚晓栋②
（①南京信息工程大学信息与控制学院，江苏南京210044；②上海交通大学机械与动力工程学院，上海200240）摘要：为解决金属手机外壳加工行业内的机床主轴轴向热误差问题，提出了一种基于时间序列算法的主轴
轴向热误差建模方法，对一台钻攻中心建立了主轴轴向热误差实时补偿模型。实践结果表明：通过该模型实时补偿，机床的主轴轴向热误差由原来62μm补偿到7μm，加工工件尺寸控制在10μm左右。
关键词：时间序列；主轴轴向热误差；实时补偿
中图分类号：TH161.5
文献标识码：A
DOI:10.19287/j.cnki.10052402.2018.05.010
Applicationto the axial thermal error of spindlemodeling based on the time series method
ZHANG Yonghong, HUANG Xiancun,SUN shuai, YAO Xiaodong
(Institute of Information and Control,Nanjing University of Information Science and Technology, Nanjing 210044,CHN;②School of Mechanical Engineering,School Jiaotong University,Shanghai 200240,CHN)
Abstract: To solve the problem of the axial thermal error of spindle in metal mobile phone shell processing indus-
esaaeeaaoaeesaes aesasaae results show that the axial thermal error of machine tool spindle is compensated from 62 μm to 7 μm through the model realtime compensation, the size of part is controlled at about 10 μm.
Keywords:time series; axial thermal error of spindle; realtime compensation
现代机械制造技术正朝着高效率、高质量、高精度、高集成和高智能的方向发展，精密和超精密加工技术早就成为了机械制造中最关键的技术。随着数控机床广泛应用于各行各业，人们对其的要求也越来越高，特别是对加工精度的要求日益增高。在数控机床加工过程中，影响加工精度的因素多种多样，其中最为突出的因素：机床主轴轴向热误差。它是数控机床误差中最大的误差源，占据总误差的40%~70%[1-2]。自苹果公司利用高速钻攻中心切削智能手机金属外壳以来，消费者认为金属元素的手机是一种时尚，这一风潮导致了金属手机外壳加工行业的金属切削机床，尤其是钻攻加工中心的增量巨大。在金属手机行业的实际生产加工中，由于机床的使用工艺、工况和其他多种因素影响，造成机床的主轴轴向热误差具有时变和非线性的特点，成为了产品Z向精度稳定性较差的主要原因。近几年，不少学者针对数控机床热误差进行研究，其中最常用的热误差分析方法有试验建模法，即根据统计理论对热误差数据和机床温度值作相关分析，并用最小二乘原理进行拟合建模[3-4]。神经网络理论、
*国家自然科学基金项目（41661144039）
.70. 万方数据
模糊理论等也都已经运用到热误差建模中。这些研究方法在一定范围内也取得了丰硕的成果，然而由于其所建立模型的非全局性特点，因而绝大多数都难以应用于复杂的实际工况中。
笔者提出一种时序算法的主轴轴向热误差建模综合方法，针对其主轴轴向热误差历史数据进行时序分析和处理，利用独立观测值的方法完成估计、预测和控制。该模型具有自适应自学习的特性，具备准确的长期预测能力。
基于时序算法建模与案例应用 1
时间序列算法实际上是一种处理动态数据的参数化时域分析方法，是指对观测数据拟合一个参数模型，再利用这个模型对观测数据及产生这一数据的系统进行分析，以便更本质地了解数据的内在结构和系统的动态特征，从而可以利用过去的观测数据对未来值进行预测和控制。针对数控机床热误差这个研究对象来说，时间序列算法认为，热误差是整个不独立相关动态系统的响应，而此动态系统的输入正是独立不相关的
制造技术与机床