七、依托单位承诺已对申请人的资格和申请书内容进行了审核。申请项目如获资助,我单位保证对研究计划实施所需要的人力、物力和工作时间等条件给予保障。严格遵守《西南科技大学重点实验室建设与管理办法》的有关规定,督促项目负责人和项目主要参与者以及本单位项目管理部门按规定及时报送有关材料。依托单位公章年 月 日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[1]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。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,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[2]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速发展和推广[1-5]。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40m,经误差补偿后,其最大综合误差降为4m;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。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。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,提高了模型精度。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。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。同时,又提出了动态神经网络模型去跟踪各种热态下的非线性时变误差,依靠集成循环[3]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。文献结合前馈神经网络(FNN)和混合过滤器[4]技术所形成的热误差修正模型用于改善热误差预测精度和减少计算时间。我国对机床热变形研究及误差建模、测量和误差补偿技术的研究始于50年代。到70年代末,有关机床热变形及误差补偿技术的研究工作在不少高校和研究单位先后展开。清华大学(2000)采用逐步回归方法建立了机床主轴热误差的多元线性回归模型。北京机械工业学院利用软件方法补偿热误差,多输入和多输出模型用于建立机床热误差数学模型。上海交通大学(2000-2002)将齐次坐标变换理论结合刀具与工件联结链矢量概念建立了加工中心误差运动综合补偿模型,可对多轴设备和机器人的非刚体误差运动进行描述。同时,针对数控机床热变形补偿模型研究和应用中须快速采集温度与热误差信号的特点,开发了一种检测系统能够方便快捷的测量机床各部位温度和机床热误差的功能。浙江大学(2002)采用改进的BP神经网络对三维非接触式测量系统进行了热误差分析和建模。上海交通大学(2003)基于数控系统的外部机床坐标系偏移功能,通过修改数控系统中的PLC程序,将数控机床的热变形误差读入数控系统,利用外部机床坐标系的偏移而实现热误差的实时补偿。上海交通大学(2004)提出数控机床热误差分组优化建模。上海交通大学(2005)将由机床热变形引起的、决定工件加工误差的工件与刀具间相对位移通过机床数控系统的外部机床坐标系偏置来实现实时补偿,并研制开发了高精度、低成本的热误差实时补偿控制器[5]。同时(2008)还使用改进后的神经网络理论对数控机床热误差数学模型进行了研究,具有很好的拟合性和预测能力,对温度传感器[6]布点的鲁棒性优于传统的最小二乘法建模。上海交通大学(2007)通过借鉴气体流动传热学理论去模拟计算机床主轴表面的热交换参数,对机床主轴温度场和热误差进行了有限元分析,得出了机床热误差鲁棒建模的关键测点,热误差模型在数控加工中心上进行了模拟验证,试验结果具有深远意义。综观机床误差补偿建模技术的研究现状,通过误差补偿技术来提高机床精度目前越来越受到重视,国内外在这方面的研究近年来有许多新的发展,许多研究人员将专家系统、模糊控制、神经网络等人工智能技术应用在误差辨识和误差建模方法的研究方面,也有的已经在实际中得到应用。而对于机床热误差,相关的研究工作做得还比较少,在数控机床的热误差补偿方面仍然存在许多需要解决的问题,例如在机床内部由于热源特别多,在传热和散热时温度梯度变化,切削液、环境温度影响,由间隙、摩擦等引起的热滞现象,以及接触面复杂热应力引起的变形等,以上因素导致热误差表现为时滞、时变、多方向耦合及综合非线性特征,增加了用数学模型描述热误差的复杂性及误差补偿的不确定性;如何在机床热误差和温度场的快速辨识方面进行深入研究;在热关键点的合理选择和误差测量技术的改进方面还有待于进一步解决;如何提高热误差补偿模型的鲁棒性;怎样进行机床热误差的实时补偿等等。本申请课题针对上述所存在的问题提出一些新研究理论方法,来建立鲁棒性强和精确性高的机床热误差预测模型,在此模型基础上,开发出具有自主知识产权的高精度、低成本数控机床热误差补偿控制系统,将其应用于特别是国产的数控系统中,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。