三坐标测量机的热变形和神经网络误差补偿.pdfVIP

④?／3一／f2『7 第2l卷 第2期 计 量 学 报 Vo1 21． № 2 2O00年 4月 ACTA METR0LOGICA SINICA April 2000 立章鞠号：10130 1158(20o0)02—011 3—06 三坐标测量机的热变形和神经网络误差补偿 尸 72／ 杨庆东 ，c．Van Den Bergh。，P．Vanherck ，J．P．Kruth (1 北京机械工业学院机械系，北京 100085；2 比利时鲁文大学工程学院机械系) 摘要：研究了三坐标测量机独特的热变形，指出环境温度不是标准的2O℃时是主 要误差影响因素。提出热变形误差和非线性和机器结构有关。描述了采用神经网络建 模和补偿热变形误差的过程和方法，井给出了测量机综台补偿热误差的方{击。 美键词：三坐标测量机；热变形；误差补偿i神经网络 中圈分类号：TB921 文献标识码：A 三坐标测量机被认为是机床的一个特例。和机床相比，它既没有切削热，机器内部产生的 热量也很少ll J。因此，对其热误差的研究也应采用特殊方式。 通常的测量机是设定工作在温度可控的恒温环境中。但 实 际 上 很 难 保 持 温 度 控 制 在±1℃的范围内。在热力学模型中，热误差有两种描述方式：一种是可以用材料的热膨胀系 数和温度变化计算的线性热伸长0 ；第二种是由于在测量机结构中的温度梯度引起的方向和 幅值很复杂的误差。三坐标测量机的热行为除了热源的影响外，其它因素也不能忽视、其中 有：1)不同的材料会产生不同的热变形，如测量机的大理石工作台、铝结构机架、金属标尺等； 2)机器构件的形状和尺寸不同以及支承方式不同使热变形不一致；3)由于传动链间隙、导轨 间隙、弹性变形和摩擦等引起的热滞现象1]J。 改进测量机的热·I生能和减少热变形误差的措施有以下几方面：1)设计上的改进。包括材 料和结构，采用高导热性的铝台金可以大大减少同一构件中的温差，从而减少热变形和角位移 以及阿贝误差 J。2)标定机器时考虑非标准温度时的情况 ；3)隔离和减少热源的影响；4) 软件补偿。 软件补偿是指建立机器的热行为数学模型，通过数控系统实时补偿测量机热变形误差。 这是一种基于在机器工作过程中在线监测温度变化的间接补偿方式。 当测量机工作的环境温度不在标准的2O℃时，对测量机的各项测量误差均会有不同程度 的影响。本课题就环境温度改变采用神经网络模型朴偿三坐标测量机的热变形误差进行研 究，目的是提高测量机热精度稳定性并且能够在普通无控温环境中使用。 1 三坐标测量机的热行为 1．1 温度和热变形测量 实验研究是在一台小型数字控制三坐标测量机上进行的，机器结构见图l。 收稿日期 1999—03—29}幡订日期：1999—06—22 114 计 量 学 报 2000年 4月 醪。 圈 】 测量机结构和温度传感器位置 测量机脒工作台是大理石的之外，其他机器结搀包括机座、支架、导轨和横梁等均由铝制 成。铝结构使机器的导热性能大大提高，但缺点是材料的热膨胀系数大，因而导致在非20℃ 标准工作温度时的热变形误差 。。 测量温度的传感器设置如图l所示。多个温度传感器配置在机器的不同位置，包括构件 的外面和里面，是为了探测在各种工作条件下测量机上温度的分布和变化情况。 三个位移传感器装在工作台上，测量测头相对于工作台的热变形位移即误差(见图2)。 1．2 热行为特点 影响机器热变形的热源分为两类，即内部热源和外部热源。由于测量机要求工作在空调 房间．避开如阳光等不正常热源，所以．外部热源主要是室温不在20℃时的环境情况。 内部热源有