一種關(guān)于數(shù)控機(jī)床熱效應(yīng)下定位誤差溫度測(cè)點(diǎn)組合的選擇優(yōu)化方法
【專利摘要】一種關(guān)于數(shù)控機(jī)床熱效應(yīng)下定位誤差溫度測(cè)點(diǎn)組合的選擇優(yōu)化方法，該方法基于灰關(guān)聯(lián)策略和粗糙集理論來辨識(shí)各個(gè)位置的溫度測(cè)點(diǎn)對(duì)機(jī)床定位誤差影響大小。在機(jī)床特殊位置上安裝k個(gè)溫度傳感器來測(cè)量機(jī)床在運(yùn)行當(dāng)中隨時(shí)間變化的實(shí)時(shí)溫度值，同時(shí)使用激光干涉儀測(cè)量受溫度影響的定位誤差值；應(yīng)用灰關(guān)聯(lián)策略篩選出n個(gè)敏感溫度測(cè)點(diǎn)位置；根據(jù)粗糙集理論的原理，對(duì)機(jī)床定位誤差和溫度數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，構(gòu)成一個(gè)決策表；利用粗糙集約簡(jiǎn)軟件得出m個(gè)可行的溫度測(cè)點(diǎn)組合；綜合分析辨識(shí)機(jī)床最優(yōu)溫度測(cè)點(diǎn)組合。通過本發(fā)明可以解決數(shù)控機(jī)床定位誤差補(bǔ)償建模過程中溫度測(cè)點(diǎn)過多或補(bǔ)償模型魯棒性差的問題。
【專利說明】一種關(guān)于數(shù)控機(jī)床熱效應(yīng)下定位誤差溫度測(cè)點(diǎn)組合的選擇 優(yōu)化方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種數(shù)控機(jī)床切削加工過程中機(jī)床定位誤差的測(cè)量和誤差補(bǔ)償建模 所用的溫度變量組合的優(yōu)化方法，屬于數(shù)控機(jī)床誤差分析【技術(shù)領(lǐng)域】。

【背景技術(shù)】
[0002]數(shù)控機(jī)床定位精度是機(jī)床的運(yùn)動(dòng)部件在數(shù)控系統(tǒng)控制下運(yùn)動(dòng)所能達(dá)到的位置精 度，一般來講，就是指機(jī)床把刀具的刀尖定位到程序中目標(biāo)點(diǎn)的準(zhǔn)確程度。機(jī)床加工精度最 終是由機(jī)床上刀具與工件之間的相對(duì)位移決定的。因此減小定位誤差對(duì)提高機(jī)床的加工精 度至關(guān)重要。
[0003]機(jī)床誤差補(bǔ)償法由于其經(jīng)濟(jì)性好、可行性高而成為目前最主要的提高精度、減小 誤差的手段。而建立定位誤差預(yù)測(cè)模型是誤差補(bǔ)償?shù)年P(guān)鍵環(huán)節(jié)，模型的形式和準(zhǔn)確性直接 影響誤差補(bǔ)償?shù)乃俣群托ЧＲ?zhǔn)確的定位誤差預(yù)測(cè)模型必須獲得與定位誤差相關(guān)的 機(jī)床溫度分布，這就需要在機(jī)床上各個(gè)部位布置大量的溫度傳感器，用來測(cè)量機(jī)床運(yùn)行過 程中的實(shí)時(shí)溫度分布。一般來說，在熱誤差補(bǔ)償中溫度測(cè)點(diǎn)的選擇從幾百個(gè)到幾個(gè)不等。 [000 4]然而，溫度測(cè)點(diǎn)過多不僅使得布置測(cè)點(diǎn)的工作量加大，而且溫度測(cè)點(diǎn)布置得太密 還會(huì)使相鄰測(cè)點(diǎn)的輸出信號(hào)有較大的相關(guān)性，反而影響計(jì)算精度。所以，選擇幾個(gè)關(guān)鍵溫 度測(cè)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)精確定位誤差建模就顯得特別重要，但是如何選擇溫度測(cè)點(diǎn)是機(jī)床定位誤差建 模及補(bǔ)償技術(shù)中的關(guān)鍵問題之一。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明的目的在于針對(duì)現(xiàn)有問題，基于粗糙集理論，在灰關(guān)聯(lián)策略的基礎(chǔ)上，分析 機(jī)床溫度場(chǎng)分布中的各溫度測(cè)點(diǎn)對(duì)機(jī)床加工定位誤差影響的重要程度，提出了根據(jù)粗糙集 分析軟件（ROSETTA)對(duì)機(jī)床溫度、誤差數(shù)據(jù)進(jìn)行約簡(jiǎn)，并綜合分析找出對(duì)定位誤差影響特 別敏感的幾個(gè)測(cè)量點(diǎn)的傳感器組合來達(dá)到優(yōu)化機(jī)床定位誤差溫度測(cè)點(diǎn)的目的，即找出最優(yōu) 溫度測(cè)點(diǎn)組合。
[0006] 為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案為一種關(guān)于數(shù)控機(jī)床熱效應(yīng)下定位誤差 溫度測(cè)點(diǎn)組合的選擇優(yōu)化方法，用于解決數(shù)控機(jī)床定位誤差補(bǔ)償中如何優(yōu)化溫度測(cè)點(diǎn)組合 的技術(shù)問題。
[0007] 該方法的具體步驟如下，
[0008] 步驟1，采集數(shù)控機(jī)床運(yùn)行過程中隨時(shí)間變化的溫度變量和定位誤差量；
[0009] 首先，在數(shù)控機(jī)床的重要位置安裝k個(gè)溫度傳感器進(jìn)行溫度測(cè)量，所述數(shù)控機(jī)床 的重要位置主要包括主軸前端和后端的典型位置、主軸箱箱體前后端及上端、三軸絲杠電 動(dòng)機(jī)、軸承、導(dǎo)軌、工作臺(tái)位置。將激光干涉儀安裝固定在機(jī)床上進(jìn)行定位誤差測(cè)量即激光 發(fā)射器固定在導(dǎo)軌上而接收器固定在機(jī)床刀架上；
[0010] 然后，先在機(jī)床冷態(tài)（即剛開機(jī)）下測(cè)量定位誤差，測(cè)量后，快速移動(dòng)運(yùn)動(dòng)軸使機(jī) 床溫度升高，然后再測(cè)量、再溫升如此重復(fù)至機(jī)床各溫度變化趨于穩(wěn)定，即機(jī)床達(dá)到熱平衡 狀態(tài)結(jié)束測(cè)量。通過運(yùn)行機(jī)床可以得到：① k個(gè)位置的溫度傳感器測(cè)得的溫度T隨時(shí)間t 的變化量^11(1:)，1'2(1:)，...，尺(1:)};?激光干涉儀測(cè)得的機(jī)床定位誤差量￥(1：) ;
[0011]步驟2,應(yīng)用灰色關(guān)聯(lián)分析篩選出m個(gè)敏感溫度測(cè)點(diǎn)位置：
[0012]利用灰色關(guān)聯(lián)分析建立參考數(shù)列（定位誤差數(shù)據(jù)）和比較數(shù)列（k個(gè)溫度測(cè)點(diǎn)數(shù) 據(jù)）之間的關(guān)聯(lián)系數(shù)和關(guān)聯(lián)度，并將這些關(guān)聯(lián)度從大到小依次排列，分別表示這些 測(cè)點(diǎn)位置溫度變化對(duì)機(jī)床產(chǎn)生定位誤差的影響大小；設(shè)定一個(gè)閾值，一般來說，定義 閾值為：

【權(quán)利要求】
1. 一種關(guān)于數(shù)控機(jī)床熱效應(yīng)下定位誤差溫度測(cè)點(diǎn)組合的選擇優(yōu)化方法，其特征在于： 該方法的具體步驟如下， 步驟1，采集數(shù)控機(jī)床運(yùn)行過程中隨時(shí)間變化的溫度變量和定位誤差量； 首先，在數(shù)控機(jī)床的重要位置安裝k個(gè)溫度傳感器進(jìn)行溫度測(cè)量，所述數(shù)控機(jī)床的重 要位置主要包括主軸前端和后端的典型位置、主軸箱箱體前后端及上端、三軸絲杠電動(dòng)機(jī)、 軸承、導(dǎo)軌、工作臺(tái)位置；將激光千涉儀安裝固定在機(jī)床上進(jìn)行定位誤差測(cè)量即激光發(fā)射器 固定在導(dǎo)軌上而接收器固定在機(jī)床刀架上； 然后，先在機(jī)床冷態(tài)下測(cè)量定位誤差，測(cè)量后，快速移動(dòng)運(yùn)動(dòng)軸使機(jī)床溫度升高，然后 再測(cè)量、再溫升如此重復(fù)至機(jī)床各溫度變化趨于穩(wěn)定，即機(jī)床達(dá)到熱平衡狀態(tài)結(jié)束測(cè)量；通 過運(yùn)行機(jī)床可以得到：① k個(gè)位置的溫度傳感器測(cè)得的溫度T隨時(shí)間t的變化量Τ {η (t)， T2(t)，...，Tk(t)};②激光千涉儀測(cè)得的機(jī)床定位誤差量Y(t); 步驟2,應(yīng)用灰色關(guān)聯(lián)分析篩選出m個(gè)敏感溫度測(cè)點(diǎn)位置： 利用灰色關(guān)聯(lián)分析建立參考數(shù)列和比較數(shù)列之間的關(guān)聯(lián)系數(shù)〖^和關(guān)聯(lián)度YQk，并將 這些關(guān)聯(lián)度從大到小依次排列，分別表示這些測(cè)點(diǎn)位置溫度變化對(duì)機(jī)床產(chǎn)生定位誤差的影 響大??；設(shè)定一個(gè)閾值。，一般來說，定義閾值為i = 當(dāng) 相關(guān)系數(shù)值大于時(shí)，溫度測(cè)點(diǎn)位置被保留下來；而其余位置的溫度變化對(duì)定位誤 差影響很微小，都被舍去，即將k個(gè)溫度測(cè)點(diǎn)成功的縮減至m個(gè)的敏感測(cè)點(diǎn)Τ' {Τ' i (t)， r 2(t)，...，r m(t)}; 步驟3,根據(jù)粗糙集理論的原理，對(duì)機(jī)床熱效應(yīng)下定位誤差和溫度數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，構(gòu) 成一個(gè)決策表； 把所測(cè)的k個(gè)位置的溫度作為條件屬性C，即C = {η (t)，T2 (t)，...，Tk(tM，所測(cè)的定 位誤差位移作為結(jié)果屬性D，即D = {Y(t)}，從而建立了一個(gè)系統(tǒng)決策表K = (U，C U D)， 并將此決策表建立為一個(gè)Excel表； 步驟4,利用粗糙集分析軟件（ROSETTA)得出η個(gè)可行的溫度測(cè)點(diǎn)組合： 將上面建立的系統(tǒng)決策表K = (U，C U D)的Excel表輸入到粗糙集分析軟件中去，通 過數(shù)據(jù)補(bǔ)齊、數(shù)據(jù)離散化之后進(jìn)行數(shù)據(jù)約簡(jiǎn)處理，得到η種可行的溫度測(cè)點(diǎn)組合，這些溫度 測(cè)點(diǎn)組合可以完整地表達(dá)機(jī)床溫度場(chǎng)分布情況； 步驟5,綜合分析辨識(shí)機(jī)床最優(yōu)溫度測(cè)點(diǎn)組合，完成選擇優(yōu)化方法： 綜合比較約簡(jiǎn)的m個(gè)敏感溫度測(cè)點(diǎn)和η個(gè)溫度測(cè)點(diǎn)組合，篩選出包含敏感溫度測(cè)點(diǎn)最 多及關(guān)聯(lián)度最高的溫度測(cè)點(diǎn)組合，即為所求的最優(yōu)溫度測(cè)點(diǎn)組合。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種關(guān)于數(shù)控機(jī)床熱效應(yīng)下定位誤差溫度測(cè)點(diǎn)組合的選擇 優(yōu)化方法，其特征在于：本發(fā)明所述機(jī)床定位誤差補(bǔ)償建模溫度測(cè)點(diǎn)的選擇優(yōu)化方法，它是 一種基于灰色關(guān)聯(lián)分析和粗糙集理論的綜合選擇方法，依以下步驟實(shí)現(xiàn)， 首先考慮產(chǎn)生熱效應(yīng)下定位誤差的相關(guān)因素，包括機(jī)床運(yùn)動(dòng)件往復(fù)運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生熱量、電 動(dòng)機(jī)運(yùn)行發(fā)熱、機(jī)床各部件發(fā)熱傳熱以及環(huán)境溫度的影響，依此分析確定采集機(jī)床溫度數(shù) 據(jù)實(shí)驗(yàn)中傳感器的布置位置；如表1所示，29個(gè)傳感器布置位置詳見表1，編號(hào)為1、2、3、4、 6、8、14和18號(hào)傳感器安裝在主軸前端和后端的典型位置上，前端后端各四個(gè)，且每個(gè)傳感 器間距相等，環(huán)繞在軸端上；傳感器等間距安裝，避免距離太近相互千擾，距離太遠(yuǎn)檢測(cè)不 全面，以下傳感器安裝相同；5、7、11和I5號(hào)安裝在主軸箱箱體前后端及上端上；12、 19、21、 22、24、28和29號(hào)安裝在X、Y、Z三軸絲杠電動(dòng)機(jī)、軸承、聯(lián)軸器及螺母上；2〇、23、24、26和 27號(hào)安裝在X、Y、Z軸向?qū)к壣希?、10、13、16和17號(hào)安裝在立滑板、工作臺(tái)和環(huán)境溫度上； 表1 29個(gè)傳感器布置位置表 ^
將激光干涉儀安裝固定在機(jī)床上：激光干涉儀的激光發(fā)射器（1)、機(jī)床的主軸（2)、工 作臺(tái)⑶、激光干涉儀的接收器⑷；首先將激光發(fā)射器⑴安裝在工作臺(tái)⑶前端的平整 處，之后將激光干涉儀的接收器（4)安裝在機(jī)床的主軸（?上；安裝完成后調(diào)整激光干涉儀 的激光發(fā)射器（1)的激光頭，使測(cè)量軸線與機(jī)床移動(dòng)的軸線在一條直線上或平行，即將光 路調(diào)準(zhǔn)直；待機(jī)床運(yùn)行時(shí)，按要求對(duì)機(jī)床的相關(guān)參數(shù)進(jìn)行測(cè)量； 然后運(yùn)行機(jī)床進(jìn)行數(shù)據(jù)采集；再利用灰色關(guān)聯(lián)分析采集到的數(shù)據(jù)，篩選出"!個(gè)相關(guān)系 數(shù)大的傳感器布置點(diǎn)；接著用粗糙集分析軟件對(duì)溫度數(shù)據(jù)和定位誤差數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，對(duì)溫 度測(cè)點(diǎn)進(jìn)行約簡(jiǎn)，得到η個(gè)可行的溫度測(cè)點(diǎn)組合；最后，綜合分析m個(gè)溫度敏感點(diǎn)和η個(gè)的 溫度測(cè)點(diǎn)組合，篩選出包含敏感溫度測(cè)點(diǎn)最多及關(guān)聯(lián)度最高的溫度測(cè)點(diǎn)組合，即為所求的 最優(yōu)溫度測(cè)點(diǎn)組合。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種關(guān)于數(shù)控機(jī)床熱效應(yīng)下定位誤差溫度測(cè)點(diǎn)組合的選擇 優(yōu)化方法，其特征在于：步驟1，采集數(shù)控機(jī)床運(yùn)行過程中隨時(shí)間變化的溫度變量和定位誤 全旦 走里： 首先，在數(shù)控機(jī)床的重要位置安裝k個(gè)溫度傳感器進(jìn)行溫度測(cè)量，將激光干涉儀安裝 固定在機(jī)床上進(jìn)行定位誤差測(cè)量； 然后，先在機(jī)床冷態(tài)下測(cè)量定位誤差，測(cè)量后，快速移動(dòng)運(yùn)動(dòng)軸使機(jī)床溫度升高，然后 再測(cè)星;、再溫升如此重復(fù)至機(jī)床各溫度變化趨于穩(wěn)定，即機(jī)床達(dá)到熱平衡狀態(tài)結(jié)束測(cè)量； 通過運(yùn)行機(jī)床可以得到：① k個(gè)位置的溫度傳感器測(cè)得的溫度隨時(shí)間的變化量T{Tl(t)， T2(t)，...，Tk(t)};②激光干涉儀測(cè)得的機(jī)床定位誤差量Y(t); 步驟2,應(yīng)用灰色關(guān)聯(lián)分析篩選出m個(gè)敏感溫度測(cè)點(diǎn)位置： 灰色系統(tǒng)分析是按照系統(tǒng)中各特征參量系列之間的相似相近程度用數(shù)學(xué)理論所進(jìn)行 的系統(tǒng)分析； 在加工切削加工過程中，機(jī)床定位誤差在機(jī)床運(yùn)行的間斷點(diǎn)處變化比較明顯，選取機(jī) 床在開機(jī)、停機(jī)的關(guān)鍵時(shí)間節(jié)點(diǎn)處的檢測(cè)值來建模分析，同時(shí)還考慮了灰關(guān)聯(lián)模型對(duì)數(shù)據(jù) 采集的等時(shí)距性；具體的說，可以以一定的單位時(shí)間來選取時(shí)間節(jié)點(diǎn)，取1組數(shù)據(jù)； 由于各影響因素的含義及目的不同，因而指標(biāo)值通常具有不同的量綱和數(shù)據(jù)級(jí)，如果 兩個(gè)序列間的數(shù)據(jù)在大小上相差很大，則小數(shù)值序列的作用容易被大數(shù)值序列掩蓋，為了 便于比較，保證各因素間具有等效性和同序性，需對(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，使之無量綱化和 歸一化； 設(shè)參考數(shù)列為定位誤差數(shù)據(jù)Y(t) = {Y(j) | j = 1，2，·..，1丨，比較數(shù)列為k個(gè)溫度測(cè)點(diǎn) 數(shù)據(jù)凡={Ti (j) | i = 1，2, · · ·，k ; j = 1，2,…，1};則Y⑴對(duì)乃在第j點(diǎn)的關(guān)聯(lián)系數(shù)：
:(1) 式中，AQi(j)為第j點(diǎn)Y(t)與⑴的絕對(duì)值，AQi(j) = |γ(?)---) | ; minimirij Δ 0i (j)為兩極最小差；maximaxj Δ 0i (j)為兩極最大差；ρ為分辨系數(shù)，p e [〇, i]， 一般取P =〇·5,在具體運(yùn)算中，可根據(jù)各數(shù)據(jù)序列間的關(guān)聯(lián)度，對(duì)P取值進(jìn)行調(diào)整，以增 加對(duì)比分析的分辨能力； 兩序列之間的關(guān)聯(lián)度Yoi可用兩序列各個(gè)時(shí)刻的關(guān)聯(lián)度系數(shù)ξΜ〇)的平均值來計(jì)算， 即，
德 式中，為子序列i與母序列的關(guān)聯(lián)度；1為兩個(gè)比較序列的數(shù)據(jù)個(gè)數(shù)； 最后將各個(gè)子序列對(duì)同一母序列的關(guān)聯(lián)度YQi按大小順序排列起來，即組成關(guān)聯(lián)序， 它直接反映了各個(gè)子序列對(duì)同一母序列的"主次"關(guān)系，也就是表示這些測(cè)點(diǎn)位置溫度變化 對(duì)機(jī)床產(chǎn)生定位誤差的影響大?。淮藭r(shí)，設(shè)定一個(gè)閾值
當(dāng)相關(guān)系數(shù)值YQk大于時(shí)，溫度測(cè)點(diǎn)位置被保留下來，而其余溫度測(cè)點(diǎn)位置則被舍去， 即將k個(gè)溫度測(cè)點(diǎn)成功的縮減至m個(gè)的敏感測(cè)點(diǎn)r {T 1(0，！^ Jtw; 通過上述分析計(jì)算建立了一個(gè)灰關(guān)聯(lián)序，對(duì)關(guān)聯(lián)序取YQk大于γ，的因素，則有η > Τ6 > Τ8 > T1Q > Τ13 > Τ5 > Τ14 > Τ18 > Τη > Τ19 ;這個(gè)灰關(guān)聯(lián)序表示對(duì)定位誤差影響最 大的溫度測(cè)點(diǎn)的排列情況； 步驟3,根據(jù)粗糙集理論的原理，對(duì)機(jī)床熱效應(yīng)下定位誤差和溫度數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，構(gòu) 成一個(gè)決策表： 把所測(cè)的k個(gè)位置的溫度作為條件屬性C，即C二{T\ (t)，T2 (t)，· · ·，Tk(tM，所測(cè)的定 位誤差位移作為結(jié)果屬性D，即D= {Y(t)}，從而建立了一個(gè)系統(tǒng)決策表K= (u, C U D)， 并將此決策表建立為一個(gè)Excel表； 步驟4,利用粗糙集分析軟件得出η個(gè)可行的溫度測(cè)點(diǎn)組合： 將上面建立的系統(tǒng)決策表K= (U，C U D)的Excel表輸入到粗糙集分析軟件（R0SETTA) 中去，通過數(shù)據(jù)補(bǔ)齊、數(shù)據(jù)離散化之后進(jìn)行數(shù)據(jù)約簡(jiǎn)處理，得到n種可行的溫度測(cè)點(diǎn)組合， 這些溫度測(cè)點(diǎn)組合能比較完整的表達(dá)機(jī)床溫度場(chǎng)分布情況； 經(jīng)過粗糙集分析軟件分析可以得到以下幾個(gè)可行組合： . {TJeTgT^T^THT^} > {T5T6T8T10T13T 14T18} > {TJgTeTgT^T,,!^}. {TJ5T6T8T10T13T 18}, {TJgW^T^T^T^} 度場(chǎng)分布情況和對(duì)定位誤差影響情況； 步驟5,綜合分析辨識(shí)機(jī)床最優(yōu)溫度測(cè)點(diǎn)組合，完成選擇優(yōu)化方法： 綜合比較約簡(jiǎn)的m個(gè)敏感溫度測(cè)點(diǎn)和η個(gè)溫度測(cè)點(diǎn)組合，篩選出包含敏感溫度測(cè)點(diǎn)最 多及關(guān)聯(lián)度最高的溫度測(cè)點(diǎn)組合，即為所求的最優(yōu)溫度測(cè)點(diǎn)組合； 通過比較灰關(guān)聯(lián)序和溫度測(cè)點(diǎn)組合，可以得出一個(gè)最優(yōu)溫度測(cè)點(diǎn)組合：!^，Τ5, Τ6, Τ8， Τι〇, Τ13, Τ14}; 上述5個(gè)步驟完成之后，可以得到一個(gè)最優(yōu)的測(cè)點(diǎn)位置組合，達(dá)到了節(jié)約成本、簡(jiǎn)化熱 誤差補(bǔ)償測(cè)量實(shí)驗(yàn)操作以及提高定位誤差模型的魯棒性的目的。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種關(guān)于數(shù)控機(jī)床熱效應(yīng)下定位誤差溫度測(cè)點(diǎn)組合的選擇 優(yōu)化方法，其特征在于：所述步驟2中，對(duì)原始數(shù)據(jù)通常可以采用初值化變換、均值化變換 和極差化變換三種處理方法，根據(jù)相應(yīng)要求選取變換方法。
【文檔編號(hào)】G05B19/404GK104216334SQ201410471517
【公開日】2014年12月17日 申請(qǐng)日期:2014年9月16日 優(yōu)先權(quán)日:2014年9月16日
【發(fā)明者】程強(qiáng), 祁卓, 李凱, 劉志峰, 蔡力鋼 申請(qǐng)人:北京工業(yè)大學(xué)