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1、登记号西南科技大学制造过程测试技术省部共建教育部重点实验室开放课题申请书（基础研究）课题名称：数控机床热误差补偿关键技术的理论分析及其应用研究资助类型：创新性前沿基础研究项目申 请 者：李永祥电 话：15105790530依托单位：浙江师范大学 工学院通讯地址：浙江金华市迎宾大道688号邮政编码：321004单位电话：0579-82282808电子邮件：申报日期：2011-11-14制造过程测试技术省部共建教育部重点实验室二一一年制填表注意事项一、填写申请书前，请先查阅制造过程测试技术省部共建教育部重点实验室2011年度开放课题申请指南和西南科技大学重点实验室建设与管理办法（西南科大发2010
2、42号）的有关规定，按所申请资助课题类型填写相应的申请书。二、申请书各项内容，要实事求是，逐条认真填写。表达要明确、严谨，字迹要清晰易辨。外来语要同时用原文和中文表达。第一次出现的缩写词，须注出全称。三、若表格有限，请另附活页，并用A4纸打印，于左侧装订，一式三份（至少一份为单位盖章的原件）。由所在单位审查签署意见后,报送制造过程测试技术省部共建教育部重点实验室。四、封面右上角“登记号”由制造过程测试技术省部共建教育部重点实验室填写。五、制造过程测试技术省部共建教育部重点实验室联系地址：四川省绵阳市涪城区青龙大道中段59号西南科技大学制造学院邮政编码：621010联系电话：0816-60897
3、39电子邮件：uestc_ 联 系 人：戴强基本信息申请者信息姓名李永祥性别男出生年月1977.11民族汉学位博士职称讲师主要研究领域精密加工与测试身份证号640103197711151215电话15105790530电子邮件工作单位及部门浙江师范大学工学院依托单位信息单位名称浙江师范大学联系人姜丽电子邮件电话0579-82282808网站地址http:/合作单位信息单位名称项目基本信息项目名称数控机床热误差补偿关键技术的理论分析及其应用研究指南方向过程状态监测与系统资助类型创新性前沿基础研究项目预计研究年限2年申请经费5万元摘要(限400字)现代机械制造向着高效率、高速度、高质量和高精度发展
4、。机床热误差补偿技术是提高精密数控机床加工精度的关键技术之一，已成为当前国内外研究的重要热门课题之一。大量研究表明，机床热误差已成为影响机床加工精度的关键因素。应用设计和制造技术改进机床自身结构可减小误差，但运用误差补偿技术来提高机床加工精度却是一种有效和经济的途径。本课题以数控机床在加工过程中所存在的热动态过程为研究对象，对机床热误差实时补偿的关键技术进行理论分析和科学研究。具体内容包括：机床热误差源的检测和分析、机床热误差运动综合数学模型的建立、机床热误差实时补偿的执行研究和机床误差补偿效果的测试分析。本课题旨在揭示数控机床热误差补偿领域的内在规律和技术特点，基于所建模型开发出具有自主知识
5、产权的高精度、低成本数控机床热误差实时补偿系统，将其应用于特别是国产的数控系统中，对机床主轴和刀具间的热变形误差进行实时修正，为大批数控机床热误差补偿的实施创造有利条件，从而使数控机床热误差实时补偿更有效，能够明显提高数控机床的加工精度，提升我国数控机床的国际竞争力，促进我国机床加工制造业的快速发展。关键词（用分号分开，最多5个）数控机床；热误差；误差补偿；建模；加工精度20项目组主要参加者序号姓名身份证号性别职称学位单位名称项目分工签名12虞付进210103196504131831男副教授硕士浙江师范大学数控加工与编程3尹晓红33072219850805822X女讲师博士浙江师范大学数控编程
6、与数字建模4张立峰330681198901198397男硕士生硕士浙江师范大学数控编程与加工5李新辉362204198802074834男硕士生硕士浙江师范大学现场测试与诊断678910经费申请表 （经费单位：万元）科 目申请经费备注（计算依据与说明）研究经费51、科研业务费3.2（1）仪器设备使用费、科研样品分析测试费、数据处理计算费（占总经费的40%）2（2）差旅费、学术交流费0.6项目研究过程中试验调研、参加国内学术会议等活动中的交通、通讯费用以及会务费用（3）发表学术论文版面费、资料打印复印费、专利申请费0.6出版费、资料费、专用软件购买费、文献检索费、专业通信费、专利申请及其他知识产
7、权事务费2、实验材料费0.4（1）实验原材料、试剂、药品购置费0.4各种原材料、辅助材料的采购及运输、装卸、整理等费用，燃料动力费以及测试化验加工费等（2）其他3、设备购置费（1）小型仪器设备购置费、仪器设备改装费（2）其它4、课题组织实施费1.4（1）课题研究人员到重点实验室从事研究工作所发生的交通、住宿、生活补贴等1（2）参加课题研究工作的研究生的劳务费（小于总经费的10%）0.4用于直接参加项目研究的研究生劳务费，专家咨询费等5、管理费其它备注：课题经费开支不含车辆保险、养路、维修及其餐饮娱乐等发生的费用。报告正文一、立项依据误差补偿技术，相对于单纯提高机床本身精度来保证日益精密要求的零
8、件加工精度，是一条经济合理而又可行的有效途径，集传感器技术、检测技术、信号处理技术、计算机技术、现代控制理论、微位移技术于一体，是一项综合高技术，是提高精密和超精密加工水平的重要途径之一。现代机械制造向着高效率、高速度、高质量和高精度发展。精密和超精密加工技术已经成为现代机械制造中最重要的组成部分和发展方向，并成为提高国际竞争能力的关键技术。机械加工精度的提高也是产品质量控制的重要环节。随着精密加工的广泛应用，对各种数控机床及加工中心的加工精度提出了更高的要求。在各种高速、精密加工机床中，热变形导致的机床误差问题日益突出，已成为影响系统加工精度稳定性的关键因素。大量研究表明，热误差是数控机床等
9、精密加工机械的最大误差源，占机床总误差的40%70%左右，所以对机床热变形误差的控制将是提高机床加工精度的关键技术1-5。机床热误差主要由加工环境的温度变化引起，加工过程中不可避免地要发热，热源包括驱动马达、切削过程、传动件、液压系统、冷却液等，这些机床内外热源引起机床部件热变形而造成机床热误差。加工过程产生的热量使机床结构发生膨胀，影响加工精度。要提高机床加工精度、减小热误差，目前主要是采用误差防止法和误差补偿法两种途径来实现。（1）误差防止法是试图通过设计和制造途径消除或减少可能的热误差源，提高机床的制造精度，或者控制温度来满足加工精度要求。误差防止法有很大的局限性，随着机床本身精度的提高
10、，会造成系统成本大幅上升，所带来的费用增加是昂贵的，受到经济条件的限制，而且存在着现有加工能力的限制和无法克服外界环境干扰引起的误差等问题。（2）误差补偿法是应用某种控制策略，利用监测装置，执行机构和计算机技术来减小加工误差，提高加工精度，可以在不提高机床自身加工精度的条件下，通过对加工过程的误差源分析、建模，实时地计算出空间位置误差，将该误差反馈到控制系统中，改变实际坐标驱动量来实现误差修正，从而使被加工的工件获得有可能比母机更高的精度，同时，还可以降低仪器和设备制造的成本，具有非常显著的经济效益，因而热误差补偿技术以其强大的技术生命力迅速被各国学者、专家所认识，并使之在机械制造行业中得以迅
11、速发展和推广6-10。误差补偿技术（Error Compensation Technique）是由于科学技术的不断发展对机械制造业提出的加工精度要求越来越高、随着精密工程发展水平的日益提高而出现并发展起来的一门新兴技术。从科学性讲，误差补偿技术的迅速发展极大地丰富了精密机械设计理论、精密测量学和整个精密工程学，成为这一学科的重要分支。与误差补偿相关的技术有检测技术、传感技术、信号处理技术、光电技术、材料技术、计算机技术以及控制技术等。作为一门新技术分支，误差补偿技术具有自己的独立内容和特色。进一步研究误差补偿技术，使其理论化、系统化，将具有非常重要的科学意义。从工程性讲，误差补偿技术的工程意义
12、是非常显著的，它包含三层含义：其一是，采用误差补偿技术可以较容易地达到“硬技术”要花费很大代价才能达到的精度水平，如一台普通的三坐标测量机空间坐标测量的最大综合误差为40mm，经误差补偿后，其最大综合误差降为4mm；其二是，采用误差补偿技术，可以解决“硬技术”通常无法达到的精度水平。其三是，满足一定的精度要求情况下，若采用误差补偿技术，则可大大降低仪器和设备制造的成本，具有非常显著的经济效益。国内外在数控机床热误差补偿与控制方面进行了大量研究，近年来国外取得了较大进展，有些技术已应用于高速高精度数控机床。最早发现机床热变形现象并进行研究的国家之一是瑞士。1933年，瑞士通过对坐标镗床进行测量分
13、析后发现机床热变形是影响定位精度的主要因素。30、40年代，各国有关学者对各种机床热变形的研究侧重对机床热特性作实用性改进。大约在50年代，开始了误差补偿，如用螺距校正尺刚性补偿丝杆车床母丝杆螺距误差。60年代，研究者们就机床热性能进行了很多研究，企图用解析和数字（有限元）方法来计算机床结构的热膨胀与变形。70年代，研究人员使用FEM进行机床热变形计算和机床优化设计11。到了80年代初期，误差补偿技术已成功地用于坐标测量机上12。Jin-Hyeon Lee（2002）提出了基于关联组合和连续线性回归分析的热误差模型，利用其中的判断函数可以有效地选择模型变量，改善共线性问题和减少了计算时间，提高
14、了模型精度13。R. Ramesh（2003）发现了机床温度场的变化会影响主轴位置误差，而且试验中所设置的操作参数也会产生影响，在热误差补偿系统中必须得到重视，并在三轴垂直加工中心上进行了测试研究14-15。Jun Ni等人（2005；2008）提出了系统模型适应方法用于不断更新在不同的加工条件下的热误差模型。利用过程间断探测技术和适应系统辨识技术集成去监测和估计机床热误差，在加工过程中修正模型参数，从而很好的保持了模型的适应性16-17。同时，又提出了动态神经网络模型18去跟踪各种热态下的非线性时变误差，依靠集成循环神经网络（IRNN）去辨识热塑性过程的非稳定性，模型精度优于多变量回归分析模型（MRA）、多层前馈神经网络（MFN）和循环神经网络（RNN）。文献19基于机床结构环路的压力自由变形和刚体运动学，利用机床温度场分布参数进行热误差计算。文献20结合前馈神经网络（FNN）和混合过滤器技术所形成
