基于热态信息网络的数控机床热误差演化规律与补偿方法研究

数控机床热关键点温度、变形与整机热误差演化存在密切的联系，研究这种关联关系对于实现数控机床热误差补偿具有重要作用。针对数控机床热误差补偿问题，从热变形机理、热传导效应和热信息挖掘的角度，以热关键部件结构与热变形行为交互作用机理、接触热阻作用下的热关键部件多维传热原理、热关键点温度-变形与整机热误差的内在联系等科学问题为导向，研究非定常热应力引起的零部件热变形行为及其对整机热误差的影响，提出热关键点辨识方法，揭示热误差滞后响应机理，以包含热流量和热变形信息的热态信息网络节点为基础，构建表达数控机床热状态与整机热误差关联关系的热态信息网络，并以其为导引，提出基于热关键点温度、变形信息的数控机床热误差组合建模方法，开发热误差补偿软件原型系统并进行应用验证。研究成果可为揭示数控机床热误差演化规律和进行热误差补偿提供一种理论依据和实施技术。

数控机床是航空、航天、能源、船舶等国计民生重要行业和领域的关键基础装备。各类产品的快速、高效、高质量生产，对数控机床加工精度及其稳定性提出了越来越高的要求。随着设计、制造、控制技术的提高以及新型材料的引入，结构几何、承载变形及伺服跟踪等误差对机床精度的影响逐步减小，热误差已成为数控机床的重要误差源，占总误差的40%~70%，热误差补偿成为保障和提高机床精度稳定性的重要手段。本项目针对数控机床热误差补偿中热特性检测和热关键点辨识周期长、补偿模型鲁棒性弱等问题，从热误差产生、传递、发展和表现全过程的角度，以包含热流量和热变形信息的热态信息网络节点为基础，构建表达数控机床热状态与热误差关联关系的热态信息网络，进行数控机床热误差演化规律与补偿方法研究。研究工作对于挖掘热误差形成、传递和演化规律，探索有效的补偿原理和方法，具有科学意义和支持作用。.本项目包括热冲击条件下数控机床热变形行为及其对整机热误差的影响、接触热阻作用下热关键部件多维传热原理及热关键点辨识、热误差滞后响应机理研究与数控机床热态信息网络构建、基于热态信息网络的数控机床热误差组合建模方法、数控机床热误差补偿软件原型系统研究与开发等主要研究内容。课题组面向数控机床多种工况条件，对实验样机进行了大量的温度-热变形测试实验，研究了实验样机工作条件下的热误差演化规律。通过采集和分析实验样机关键部件和整机的温升、变形和误差的变化规律，提出了对流换热系数修正方法，以提高热误差分析的效率和准确性，提出了基于热态信息网络的机床热态信息挖掘与组合建模方法，以提高热误差建模的时效性和有效性，同时，提出了“机床热漂移单向固化补偿”原理和技术，即针对机床相应的运动或传动子系统，进行热漂移点单向固化，为热误差建模与补偿创造稳定的参考点，提高热误差建模和补偿的有效性。在上述理论研究基础上，开发了龙门加工中心热误差建模软件，将所提出的热漂移单向固化方法应用于机床进给系统全工作行程的热误差补偿，并在两台龙门加工中心、一台立式加工中心上进行了全面、细致的测试分析，使实验样机热误差缩减了20%以上，验证了所提出的原理、技术对热误差建模和补偿的有效性，同时，将上述热误差补偿建模算法及软件在某机床生产企业的一型龙门加工中心产品中进行了初步应用，取得了较好的效果，获得国家发明专利一项、四川省科技进步一等奖一项、修编两项行业标准。