影追踪回归理论，建立能够反映机床温升同热误差之间关系的数学模型，具有预测精 度高，鲁棒性强的优点，特别是综合分析了现有机床热误差建模方法的优缺点，有效地控制 了机床主轴热变形。本发明使用先进的智能方法，为机床热误差补偿的实施及机床加工精 度的提高提供理论依据。
【附图说明】
[0012] 附图1是本发明的技术流程图； 附图2是本实施例的实施方案； 附图3是本实施例的模型预测性比较； 附图4是本实施例的补偿效果比较。
【具体实施方式】
[0013] 以下结合附图对本发明的技术方案作进一步描述。
[0014] 本发明的技术流程如图1所示，以测得的对机床热变形影响较大的关键热源的温 度值作为模型输入、热变形误差作为模型输出，建立多元投影寻踪聚类模型。从机床温度场 与热变形检测的实验结果中选取32个样本，将20个热源的温度值作为输入变量，热变形误 差值作为输出变量，代入多元投影寻踪聚类模型进行训练，确定模型参数。通过自行开发的 热误差补偿系统完成热误差补偿过程，验证所建模型的逼近性能。分别应用最小二乘模型 与多元投影寻踪聚类模型进行补偿实验，验证应用多元投影寻踪聚类模型后的补偿效果。
[0015] 本实施例的具体实施方案如图2所示。实施过程中，为检测机床温度场，依据工程 经验在机床上布置了20个温度传感器。按温度传感器在机床上的分布位置，可将其分为7 组：1)温度传感器T1测量环境温度；2)温度传感器T2、T3、T4测量X轴导轨温度；3)温度 传感器T5、T6和T7测量主轴承温度；4)温度传感器T8、T9、T10、T11测量主轴前端温度； 5)温度传感器T12、T13、T14、T15、T16和T17测量主轴后端温度；6)温度传感器T18、T19 测量立柱温度；7)温度传感器T20测量冷却液温度。在刀架上安装了一位移传感器，测量 机床主轴在径向的热变形误差。为模拟机床的1个工作周期，设定机床主轴转速4000rpm， 进给速度3m/min，空切削，开冷却液；机床先空转3小时，冷却1小时，然后再空转3小时，冷 却1小时。实施补偿时，20个关键热源的温度值及热变形误差信号经过信号处理单元（SPU， 由DSP、放大器、A/D、串口、并口等组成）后经串口送入PC。通过将模型嵌入DSP，进而获得 补偿值，并经并口送入机床数控系统，完成热误差补偿过程。在对多元投影寻踪聚类模型进 行性能测试时，实验设置同机床温度场与热变形检测实验。应用位移传感器对机床主轴径 向的热变形误差进行测量，并用最小二乘回归与多元投影寻踪聚类方法同时对误差值进行 预测，预测结果如图3所示。可以看出与传统的最小二乘回归相比，本发明所建多元投影寻 踪聚类模型的逼近能力更强。在比较多元投影寻踪聚类模型的补偿效果时，分别应用最小 二乘模型与多元投影寻踪聚类模型进行补偿实验，比较结果如图4所示。可以看出此热误 差建模方法，预测能力更强，计算更简便，能够更好的控制机床主轴径向的热变形误差。
【主权项】
1. 一种基于多元投影寻踪聚类算法的数控机床热误差建模方法，其特征在于，具体包 括以下步骤：（1)机床温度场与热变形检测实验；（2)多元投影寻踪聚类模型的建立与参数 计算；（3)热误差补偿系统的设计、开发；（4)模型的预测性能测试。2. 根据权利要求1所述的数控机床热误差建模方法，其特征在于，所述的机床温度场 与热变形检测实验，是指：利用温度传感器对热误差源信号进行检测，并对温度信号进行 A/D转换；利用位移传感器对机床主轴在径向的热变形误差进行检测，并对位移信号进行 A/D转换。3. 根据权利要求1所述的数控机床热误差建模方法，其特征在于，所述的多元投影寻 踪聚类模型的建立与参数计算，通过以下步骤实现：（1)以对机床热变形影响较大的关键 热源的温度值作为模型输入，以机床热变形误差作为模型输出，基于多元投影寻踪聚类理 论建立机床的热误差模型；（2)选取机床温度场与热变形检测实验结果中的32个样本； (3)以20个热源的温度值作为输入变量，以热变形误差值作为输出变量，代入模型进行训 练，最终确定模型参数。4. 根据权利要求1所述的数控机床热误差建模方法，其特征在于，所述的热误差补偿 系统的设计、开发，通过以下步骤实现：（1)将20个关键热源的温度值及热变形误差信号经 过信号处理单元后经串口送入PC; (2)应用多元投影寻踪聚类算法建立机床热误差模型； (3)将模型嵌入DSP; (4)补偿值经并口送入机床数控系统。5. 根据权利要求1所述的数控机床热误差建模方法，其特征在于，所述模型测试，通过 以下步骤实现：（1)用位移传感器对机床主轴径向的热变形误差进行测量；（2)用最小二乘 回归与多元投影寻踪聚类方法同时对误差值进行预测；（3)分别应用最小二乘模型与多元 投影寻踪聚类模型进行补偿实验。
【专利摘要】本发明涉及一种精密加工技术领域中数据处理的方法，具体是一种基于多元投影寻踪聚类算法的数控机床热误差建模方法，包括：（1）机床温度场与热变形检测实验；（2）多元投影寻踪聚类模型的建立与参数计算；（3）热误差补偿系统的设计、开发；（4）模型的预测性能测试。本发明方法具有预测精度高、计算简便和鲁棒性强的优点，可以有效地控制机床主轴热变形，进而提高机床加工精度。
【IPC分类】G05B19/404
【公开号】CN105204435
【申请号】CN201410231790
【发明人】郭前建, 齐晓霓, 杨先海
【申请人】山东理工大学
【公开日】2015年12月30日
【申请日】2014年5月29日