基于RSM-NSGA-Ⅱ的主轴精度调控参数优化.pdf
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1、电气与自动化杨成杰等基于 的主轴精度调控参数优化基金项目:国家自然科学基金项目()第一作者简介:杨成杰()男浙江绍兴人硕士研究生研究方向为主轴系统精度调控.:./.基于 的主轴精度调控参数优化杨成杰陈蔚芳吕铭(南京航空航天大学 机电学院江苏 南京)摘 要:数控机床主轴系统的性能直接影响其加工精度 热误差和回转误差作为主轴系统精度的两个关键指标研究其多工况下误差变化规律与对应的调控参数优化方法对主轴系统精度的提升具有重要的应用价值 基于响应面()分析法以获取的主轴系统热误差和回转误差数据为响应值建立多工况下的主轴精度 模型基于多目标遗传算法研究多工况下的主轴系统调控参数优化方法得到不同工况下的主
2、轴系统最优运行参数并在自主搭建的主轴精度调控实验台上进行了有效性验证关键词:主轴系统热误差回转误差响应面分析多目标精度调控中图分类号:.文献标志码:文章编号:()():.().:引言主轴系统是数控机床的关键部件其工作性能直接影响数控机床的加工精度、加工效率以及加工稳定性 电主轴是将电机与旋转主轴融为一体集合机、电、液、气等技术的高性能机床主轴单元因其具有高度集成化、高加工精度、高转速极限、运行平稳、响应快和输出功率大等特点是高速数控机床主轴系统的首要选择其工作性能将直接影响数控机床的精度、稳定性及应用范围由于电主轴高度集成化的结构设计高速运转下的驱动电机与支撑轴承等部位产生的大量热量会在主轴内
3、部积累导致主轴内部结构发生热变形这使得主轴在运转过程中的热变成为影响高端主轴加工精度的关键因素之一 与此同时主轴系统内各结构的热变形加剧还会使主轴回转误差增大进一步导致主轴的加工精度下降当前数控机床精度调控方法的研究主要集中在进给系统方面对机床精度影响较大的主轴系统精度调控方法研究则相对较少且主要集中在热误差补偿技术研究方面 等提出了一种五轴机床长期热误差补偿的自适应方法 等研究了一种基于传输函数的机床热误差建模方法 等结合粒子群优化算法和后传播神经网络建立了机床主轴的热误差补偿模型并以此模型进行机床的热误差预测与补偿 等提出了一种基于指数增长模型的高速铣削电主轴的热误差补偿方案该补偿方案能够
4、在实际加工中将热误差的影响降低本文提出了一种新的主轴精度调控参数优化方法构建基于主轴系统热误差和回转误差的主轴精度 模型并以该模型为基础对主轴系统进行了多目标优化实现多工况下主轴系统精度调控的目标 基于 的主轴精度多目标优化参数求解 热误差和回转误差作为主轴系统精度的两个关键指标其误差变大会导致加工工件的形状精度和表面质量降低 故对主轴系统的热误差和回转误差进行调控可以有效地提高机床的加工精度 本文借助已有的主轴系统热误差模型和主轴回转误差检测系统并根据图 所示优化流程首先通过试验获取多工况下的主轴系统热误差和电气与自动化杨成杰等基于 的主轴精度调控参数优化回转误差数据并以此为响应值建立多工况
5、下的主轴精度 模型其次根据得到的主轴精度 模型使用多目标遗传算法对主轴的运行参数进行优化最后寻找不同工况下的主轴系统最优运行参数实现主轴系统工作精度调控的目标提高主轴系统的加工性能oE2RSM FperatoLNSGA-II-F1#F1+图 协同求解流程.主轴精度 模型建立机床主轴加工过程中主轴的热变形和回转误差均会对主轴系统的加工性能产生影响 针对主轴精度 模型的建立调控变量选取主轴热误差建模过程中涉及到的主要变量:转速(/)、油气流量(/)、冷 却 液 流 量 (/)、冷 却 液 温 度 ()和 负 载 转 矩()由于主轴轴向精度性能稳定轴向窜动幅度很小故本文选取的目标变量为:轴向热变形(
6、)、径向热变形()、径向回转误差()和倾角误差()主轴精度 模型中调控变量有 个基于 实验设计方法将上述 个目标变量进行数值转化得到了 个设计变量的规范水平如表 所示以此规范化的设计变量划分实验组进行响应值的计算和检测表 主轴精度实验设计变量规范水平变量名称设计变量水平转速/(/)油气流量/(/)冷却液流量/(/)冷却液温度/负载转矩/().本文使用 完成主轴精度响应面的拟合与分析为确保 模型的拟合精度选用包含二次项的 模型对各响应值进行响应面模型求解将各设计变量归一化后得到各响应值的二次回归方程对回归方程进行精确度检查模型的决定系数、校正决定系数和信噪比结果见表 结果表明:各响应值对应的二次
7、回归 模型的决定系数和校正决定系数均接近 且模型的信噪比均大于 模型具有较好的拟合精度模型结果可靠表 模型精确度检查结果目标变量决定系数校正决定系数信噪比/./././().基于 的主轴精度多目标优化求解 )优化数学模型的建立选取转速、油气流量、冷却液流量、冷却液温度和负载转矩这 个参数作为设计变量以轴向热变形、径向热变形、径向回转误差、倾角误差 这 个响应值作为目标函数 为保证参数的优化范围不超出响应面模型的预测空间各设计变量的约束条件设置为响应面模型建立时的设计变量取值区间 将上述问题转化为数学模型为()()()()().()本文的主轴精度优化目标为主轴热变形误差和回转误差实际加工过程中回
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