基于复杂曲面重构的高速高精度机床动态性能演化与辨识方法研究

To date, the dynamic performance of high-speed and high-precision machine strongly affects workpiece accuracy and the efficiency of machining. However, the dynamic mechanism is not thoroughly understood and there is still lack of test standard on dynamic performance of multi-axis CNC machine in ISO. The content of this project is about studying the dynamic mechanism of NC machine, constructing the NURBS surface which reflects the kinematic performance of machine, and finding identification errors through cutting the complex constructing NURBS surface. First, establish the coupling models in a complete dynamic chain of the machine which develop from feed system to the cutting tool. Extract the main factors in dynamic revolution of the machine. Thus, construct the complex NURBS surface which can reflect the whole dynamic characteristics of NC machine. Then, research the quantitative relationship between the main factors and the NURBS surface. Finally, study the error identification method in NC machine and obtain the main dynamic factors by cutting the NURBS surface. Base on constructing neural networks model, find the real value and its proportion of the dynamic factors. The research of this project will help us to explore the dynamic mechanism of high-speed and high-precision machine and evaluate the dynamic performance of multi-axis NC machine, which are not be solved in a long time as a common problem in manufacturing company. The results of error identification can also be used to guide the operation and maintenance of NC machine. Therefore, the completion of the project will promote the potential applications and economic value.

高速高精度机床运行的动态性能是制约其加工精度和工作效率的重要因素，目前ISO标准中也缺少多轴数控机床动态性能的测试规范。本课题通过研究机床动态性能演化规律，构造反映机床不同性能的NURBS曲面，研究基于曲面切削辨识机床动态性能的方法。首先，建立由机床进给系统至刀具切削振动的完整动态链系统耦合模型，推导影响机床动态性能的主要因素及演化规律；其次，构建反映机床动态特性能集的NURBS曲面综合体，研究机床主要动态因素与重构曲面形貌间的量化映射关系；最后，根据曲面切削形貌进行误差溯源，提取影响曲面误差的主要溯源因素，基于神经网络动态训练技术建立由曲面误差辨识机床动态因素的非线性映射模型。本项目研究有助于探求高速高精度机床动态性能演化机理，解决我国高端制造业长期缺乏机床动态性能测评的共性技术问题，通过辨识结果给出的机床性能影响因素，可用于指导机床维修和调整，具有重要的应用前景和经济价值。

随着制造业的飞速发展，人们对产品的精度和性能要求日趋提高，高速高精度机床作为高端制造业的重要装备，已经得到了广泛的应用。研究表明，高速高精度机床运行时的动态性能是制约其加工精度和工作效率的重要因素，目前国内外文献和标准中缺少关于多轴数控机床动态性能的测试规范，因此在研究数控机床动态性能演化规律的基础上构造一种新型检测试件，是快速、有效的实现机床动态性能检测的重要手段。与此同时，基于试件检测的误差溯源和误差辨识也是进一步提高数控机床动态精度的重要方法。.本课题从五轴数控机床的误差源和影响因素出发，首先对数控机床加工精度影响因素分类分析，提取影响数控机床动态误差的主要因素，并在不同机床构型下的完成精度误差建模；之后，针对国际上常用的五轴数控机床精度检验试件，从几何造型、几何特性及加工特性出发，研究试件之所以具备检验机床精度的机理，不同试件所具有的特殊几何特性是其中最为关键的因素；进而对几种典型试件的几何特性进行提取，分析单个特性作用下机床的运动规律，由理论分析可以得出，机床在加工该几何特性时的速度、加速度以及加加速度表现出的特定变化规律；通过对上述几何特性的归纳，重新构造出一种更能反映机床曲面加工能力的检验试件，新型检验试件在综合典型试件特征的基础上，具备了对五轴联动运动特性、加工特性的严格测试；最后，提出了一种基于试件切削的型面误差溯源算法，通过BP神经网络对误差因素进行辨识与解析，并将该算法应用于中国S试件型面误差影响因素的溯源与辨识，得到了S形试件型面误差与机床因素间的映射关系，根据贴近度最大原则，辨识出了对机床加工精度影响最大的三个动态因素。. 本课题的研究有助于探求高速高精度机床动态性能演化机理，从正向研究曲面几何特性与加工特性间的关系，对构建基于检测试件切削的数控机床精度检测方法有重要的指导意义，通过辨识结果给出的机床性能影响因素，可用于指导机床维修和调整，具有重要的应用前景和经济价值。