[00950920]高速高精度数控机床动态误差控制关键技术与应用

高速高精度数控机床是国民经济和国防建设的重大基础装备。但随着数控机床速度和精度的提高，其在高速运行中产生的动力学和热效应严重影响机床的精度及其稳定性，导致中国机床及其制造的产品低端化，降低了制造业的国际竞争力。因此，提高数控机床精度及其稳定性，开发高速高精度数控机床，是中国机床行业打破国际垄断和禁运、实现高端制造必须突破的重大技术瓶颈。机床高速运行中的动力学和热效应产生的动态误差，随工况呈非线性、时变特征，仅靠机床设计制造无法消除，必须通过机床实际运行过程中的误差控制综合解决。但传统的误差控制存在动态误差的分离与溯源、建模精度与效率、质量评价与优化三大技术难题，原因在于：多轴动态误差信号同步采集与重构困难、动态误差建模与解耦方法落后、质量评价与在线优化系统缺乏。该项目历经十五年，从动态误差检测与分离、解耦与补偿、评价与优化等三方面进行突破，发明了系列误差控制技术及装置，并在多家龙头机床企业应用，实现了机床精度及其稳定性的同步提升，解决了中国“神舟系列飞船”、“嫦娥5号”空间臂、航空发动机等重大装备关键零件的精密制造难题。主要创新点如下：发明了基于内置传感器信号分析的数控机床动态误差在线检测与分离方法及装置，解决了多轴动态误差信号同步采集与重构难题，实现了动态误差的分离与溯源。开发的机床动态特性测试装置填补了国内外空白，解决了激光干涉仪、球杆仪等传统装置无法解决的动态误差在线检测与分析难题。发明了适应数控机床工况变化的动态误差高效建模与补偿方法及装置，解决了动态误差建模效率低、鲁棒性差的难题，实现了动态误差的高效解耦与精确补偿。与西门子数控系统提供的建模方法相比，建模效率提高4倍，补偿后加工精度提高1级，达到国际同类机床的先进水平。创建了数控机床控制系统在线优化、质量评价与整机热特性分析技术及系统，解决了控制参数匹配、动态特性评价与优化的难题，实现了其全局优化和热平衡分析，数控机床优化后误差降低42%以上，机床精度等级提高1级。基于以上技术，研发了10种高速高精度数控机床，其中6种高档数控机床为首台套，首次实现国产TGK41000坐标镗床定位精度3μm,优于瑞士SIP7000/7产品，满足了中国重点行业对高速高精度数控机床的紧迫需求。获授权发明专利20项，制定企业标准6件，出版教材3部，发表学术论文56篇，他引349次，2篇博士论文获上银优秀机械博士论文奖，该项目通过了省、部科技成果鉴定，结论为：“开发的数控机床动态特性测试仪达到了国际先进水平，在基于机床已有信号测量的动态误差在线测量技术方面达到国际领先”。部分成果获教育部科学技术进步一等奖2项、陕西省专利一等奖1项。项目应用于沈阳机床集团、大连机床集团、秦川机床集团等龙头机床企业，提升了中国高档数控机床国际竞争力，研制的高速高精度数控机床打破了国际市场垄断和禁运，远销欧美等20个国家地区。近3年新增销售额24.99亿元。