基于互信息法和改进模糊聚类的机床热关键点优化研究

基于热误差模型进行机床热误差补偿是保证数控机床加工精度的一种有效方法,温度测点的布置和辨识会直接影响热误差建模的精确性和鲁棒性。本文提出一种互信息和改进模糊聚类法相结合的机床热关键点优化方法。以机床不同位置处的多个测点温度值及工件热变形作为分析数据,通过计算温度变量与热变形之间的平均互信息量,获得其综合关联度矩阵,确定二者之间的相关性后初选温度变量。根据改进模糊聚类法、F统计量和复判定系数对初选的温测点进行聚类,并结合温度变量与热变形之间的综合关联度值提取机床热关键点,从而实现测点优化。将基于该方法所得到的热误差模型与采用变量分组优化法获得的热误差模型进行比较,结果显示采用该方法进行热误差建模,机床X轴和Y轴的热变形预测精度得到显著提高,有利于改善加工精度。     

基于互信息法和改进模糊聚类的温度测点优化

基于热误差模型进行机床热误差补偿是保证数控机床加工精度的一种有效方法,温度测点的布置和辨识会直接影响热误差建模的精确性和鲁棒性。本文提出一种互信息和改进模糊聚类法相结合的机床热关键点优化方法。以机床不同位置处的多个测点温度值及工件热变形作为分析数据,通过计算温度变量与热变形之间的平均互信息量,获得其综合关联度矩阵,确定二者之间的相关性后初选温度变量。根据改进模糊聚类法、F统计量和复判定系数对初选的温测点进行聚类,并结合温度变量与热变形之间的综合关联度值提取机床热关键点,从而实现测点优化。将基于该方法所得到的热误差模型与采用变量分组优化法获得的热误差模型进行比较,结果显示采用该方法进行热误差建模,机床X轴和Y轴的热变形预测精度得到显著提高,有利于改善加工精度。     

基于温度特征提取的数控机床热误差建模

在数控机床的热误差补偿技术中,机床温度信息的提取对改善机床的加工精度至关重要。首先对广泛使用的模糊聚类多元线性回归模型在变工况下的性能进行了试验,结果证明:试验工况变化后,该模型预测值失准。通过方差膨胀因子判断,这种现象是由模型自变量的复共线性引起。为了改进上述模型,提出了一种温度特征提取的建模方法,通过特征提取算法,提取模糊聚类优化测点的综合特征,从而得到综合特征自变量,最后利用综合自变量进行回归建模。试验表明,该方法有效消除了复共线性对模型预测精度和鲁棒性的影响,优化后的回归模型均方根误差在4μm以内,可有效预测76%以上误差,相较于其他方法表现出优良的预测性能,易于在其他机床热误差补偿中推广使用。     

基于逐步回归的机床温度测点优化及热误差建模技术

通过对机床温度测点进行优化,建立其与机床热误差之间的数学模型,对机床热误差进行实时预测与补偿控制,是提高数控机床加工精度的重要途径。为解决现有机床热误差模型预测精度低、鲁棒性差的问题,提出一种基于逐步回归的数控机床温度测点优化方法。通过偏F统计量的检验,在初步建立的回归模型中逐个引入新变量,剔除不显著的老变量,实现温度测点的优化布置,获得数控机床热误差的最优回归模型。将该方法应用于某数控机床,结果表明,基于逐步回归的机床热误差模型,所用温度变量最少,且预测精度最高。     

基于FCM自适应模糊聚类的温度测点优化

在数控机床热误差建模中,温度测点的选择与优化是一个难点。针对传统的FCM模糊聚类方法对数控机床温度测点优化需要人为事先确定聚类数目,提出了一种FCM自适应模糊聚类测点优化方法。该方法在FCM聚类算法的基础上,建立了聚类数自适应函数,并自动给出最佳聚类数。通过对一台立式铣床进行实验验证,结果表明:FCM自适应模糊聚类方法自动将机床的温度测点由13个减少到6个。结合多元回归分析,建立了关键测温点的热误差模型,所建立的热误差模型精度较高,热误差由50μm减小到10μm以下,验证了该方法的有效性。     

基于有序聚类的机床热误差测点优化

温度测点的选择直接影响数控机床热误差补偿模型的性能。考虑到温度有序传递的特点,提出了有序聚类测点优化的方法。以试验数据为基础,计算类直径并比较目标误差函数;然后对温度变量分类,确定最佳分类数;通过计算热误差和温度之间的相关系数,确定最优测点。采用定位误差分解建模法结合选取的最优测点建立热误差预测模型,分别与模糊聚类和变量分组测点优化建立的模型进行比较,试验结果表明,有序聚类测点优化法精度较高,具有一定的应用前景。     

龙门机床进给系统热误差模型测点优化

为了解决温度测点数量和测点间复共线性对龙门机床热误差模型精度和鲁棒性的影响,提出了一种测点综合优化方法。首先,采用模糊聚类法和相关性分析筛选出对热误差影响较大的关键点,达到优化测点数量的目的；然后采用特征提取法得到预测模型的自变量,特征提取消除了复共线性对预测模型精度和鲁棒性的影响。在一台龙门精密镗铣加工中心上实验验证,结果表明：本文提出的测点综合优化法优于自适应模糊聚类热关键点优化,采用该方法进行误差预测模型关键点优化可有效提高模型精度和鲁棒性。     

龙门机床进给系统热误差模型关键点优化

为了解决温度测点数量和测点间复共线性对龙门机床热误差模型精度和鲁棒性的影响,提出了一种测点综合优化方法。首先,采用模糊聚类法和相关性分析筛选出对热误差影响较大的关键点,达到优化测点数量的目的;然后采用特征提取法得到预测模型的自变量,特征提取消除了复共线性对预测模型精度和鲁棒性的影响。在一台龙门精密镗铣加工中心上实验验证,结果表明:所提出的测点综合优化法优于自适应模糊聚类热关键点优化,采用该方法进行误差预测模型关键点优化可有效提高模型精度和鲁棒性。     

数控机床主轴系统热误差温度测量点的最优化设计方法

基于信息论与机床热误差有限元分析方法,提出了一种对数控机床温度测量点的位置进行优化的计算方法,这些测点包含机床热变形误差互信息量最大点。将该方法应用于一台数控螺纹磨床主轴系统的热误差温度测点位置的最优化设计选择,并通过主轴热误差测量实验验证了所提出方法的有效性。     

基于遗传算法优化灰色神经网络的机床主轴热误差建模研究

针对机床主轴热性能对加工精度产生影响的问题,对机床主轴热误差建模方向进行了试验研究。以数控磨床主轴为研究对象,通过热特性试验获得了阶梯转速下的温度变化数据和热误差数据,对温度数据进行了模糊聚类分组,并采用相关系数法选出了温度敏感测点;通过对灰色神经网络初始参数进行优化,建立了遗传算法(GA)优化的灰色神经网络热误差预测模型;在该模型中,以灰色神经网络的预测输出和实际值的绝对误差作为遗传算法适应度函数,以平均相对误差作为预测模型的评价标准,并与灰色神经网络、BP神经网络预测结果进行了对比。研究结果表明:该预测模型具有更高的预测精度,通过GA对灰色神经网络的初始参数进行优化,可有效地提高网络的预测精度,更好地用于热误差补偿系统。     

双转台五轴机床空间误差补偿技术研究

几何误差、热误差和切削力误差占到了机床总误差的75%,对这3项误差进行控制是提高机床加工精度的关键所在。以双转台五轴机床的空间误差作为研究对象,通过对加工位置、主要热源及电动机电流等相关因素进行分析,确定空间误差建模所需的位移变量、温度变量和切削力变量。以现有的多种误差建模方法为基础,通过对信息融合技术进行研究,提出一种机床空间误差的多模型融合预测方法,建立综合反映几何误差、热误差和切削力误差的最优空间误差模型。最后以DSP为核心,设计空间误差补偿器,实施空间误差补偿,验证补偿效果。结果显示,建立的模型预测精度较高,残差小于2μm,而实施空间误差补偿后,加工零件的轮廓误差也由15μm降到了5μm,补偿效果明显。     

基于遗传算法优化小波神经网络数控机床热误差建模

数控机床的热误差已经成为影响其加工精度的一个关键因素,为最大限度提高数控机床热误差补偿的精度和效率,结合遗传算法自适应全局优化搜索能力和小波神经网络良好的时频局部特性的优点,提出一种基于遗传算法优化小波神经网络的机床热误差补偿模型。以某型号五轴摆动卧式加工中心为试验对象,以机床温度变量和热误差为数据输入样本,建立小波神经网络模型热误差预测模型,然后用遗传算法优化小波神经网络权值、阈值,最终建立热误差预测模型。通过与传统人工神经网络和普通小波神经网络进行对比分析及试验论证表明,该补偿模型具有精度高、抗扰动能力和鲁棒性强等优点,有望在实际加工场合的数控机床的热误差预测和补偿研究中得到更大的推广应用。     

基于贝叶斯神经网络的机床热误差建模

热误差严重影响着机床的加工精度,对机床关键部件进行热特性分析是开发精密机床的重要环节。通过测量包括数控机床的特殊位置温度和定位误差在内的热特性,研究了温升与定位误差之间的关系,提出了一种基于贝叶斯神经网络的热误差建模方法。通过K-means聚类和相关系数法来选择温度敏感点,可以有效地抑制温度测量点之间的多重共线性问题。结果表明:通过使用贝叶斯神经网络能提高机床88.015 9%的精度,比BP神经网络高出15.763 8%,与BP神经网络模型相比,贝叶斯神经网络具有更加优良预测性能。贝叶斯神经网络模型为降低机床热误差的影响提供了新思路。     

基于CNN-GRU组合神经网络的数控机床进给系统热误差研究

热变形引起的误差是影响数控机床精度的主要因素之一。为了减小热误差对数控机床精度的影响,提出一种基于CNN-GRU组合神经网络的热误差预测方法。通过热误差实验,采集螺旋曲面专用数控机床直线进给系统的温升数据和热误差数据;利用模糊C均值聚类和灰色关联度分析筛选进给系统温度敏感点;以温度敏感点的温升数据和进给系统热误差为数据样本,建立CNN-GRU热误差预测模型。为验证模型的准确性和实用性,与基于CNN-LSTM和基于LSTM的传统热误差预测模型进行预测对比分析,结果表明CNN-GRU模型预测结果的平均绝对误差、均方根误差和决定系数均优于CNN-LSTM模型和LSTM模型,具有较高的预测精度和鲁棒性。提供的热误差模型可为后续误差补偿奠定基础,为数控机床的热误差预测提供思路。     

Development of thermal error model with minimum number of variables using fuzzy logic strategy

Thermally-induced errors originating from machine tool errors have received significant attention recently because high speed and precise machining is now the principal trend in manufacturing processes using CNC machine tools. Since the thermal error model is generally a function of temperature, the thermal error compensation system contains temperature sensors with the same number of temperature variables. The minimization of the number of variables in the thermal error model can affect the economical efficiency and the possibility of unexpected sensor fault in a error compensation system. This paper presents a thermal error model with minimum number of variables using a fuzzy logic strategy. The proposed method using a fuzzy logic strategy does not require any information about the characteristics of the plant contrary to numerical analysis techniques, but the developed thermal error model guarantees good prediction performance. The proposed modeling method can also be applied to any type of CNC machine tool if a combination of the possible input variables is determined because the error model parameters are only calculated mathematically based on the number of temperature variables.     

Actualities and Development of Heavy-Duty CNC Machine Tool Thermal Error Monitoring Technology

Thermal error monitoring technology is the key technological support to solve the thermal error problem of heavy-duty CNC(computer numerical control) machine tools. Currently, there are many review literatures introducing the thermal error research of CNC machine tools,but those mainly focus on the thermal issues in small and medium-sized CNC machine tools and seldom introduce thermal error monitoring technologies. This paper gives an overview of the research on the thermal error of CNC machine tools and emphasizes the study of thermal error of the heavy-duty CNC machine tool in three areas. These areas are the causes of thermal error of heavy-duty CNC machine tool and the issues with the temperature monitoring technology and thermal deformation monitoring technology. A new optical measurement technology called the ‘‘fiber Bragg grating(FBG) distributed sensing technology' for heavy-duty CNC machine tools is introduced in detail. This technology forms an intelligent sensing and monitoring system for heavy-duty CNC machine tools.This paper fills in the blank of this kind of review articlesto guide the development of this industry field and opens up new areas of research on the heavy-duty CNC machine tool thermal error.     

数控机床温度敏感点变动性及其影响

数控机床热误差补偿技术中的核心问题是建立能够反映机床温升与热误差之间的数学模型,其精度和稳健性则取决于模型自变量能否准确地反映机床温度场分布特性,即温度敏感点选择结果是否准确和稳定。通过对Leaderway-V450型数控加工中心主轴Z向的多批次空转数据进行分析发现,温度敏感点存在变动性特征,导致自变量间多重共线性程度发生变化,进而对模型的预测精度和稳健性产生严重影响。由于主成分回归算法具有消除自变量共线性影响作用,故提出采用该算法进行建模,并通过实际机床进行实践检验。结果表明,采用主成分回归算法建模,显著降低了温度敏感点变动性对模型预测精度的影响,能保证模型具有很好的预测精度和稳健性。     

数控机床热变形误差研究及补偿应用

热变形误差是影响机床加工精度的重要因素之一,通过误差补偿的方法可以提高机床的加工精度。研究了通过实时补偿热变形误差提高数控机床加工精度的方法,阐述了热误差的基本原理,介绍了热误差的测量方法。采用模糊聚类的方法来布置测温点,利用多元线形回归方法建立了机床热变形与温升之间的数学模型。在PLC补偿系统的作用下,在加工过程中对XH718数控机床进行实时补偿。实验结果表明补偿效果很好。     

基于外部机床坐标系偏移的热误差实时补偿

基于数控系统的外部机床坐标系偏移功能，通过修改数控系统中的PLC程序，将数控机床的热变形误差，即工件与刀具间的相对热运动值读入数控系统，利用外部机床坐标系的偏移而实现热误差的实时补偿，开发研制了高精度、低成本、满足实际要求的热误差实时补偿系统。经实际生产应用，机床的加工精度得到了大幅度提高。     

Application of ACO-BPN to thermal error modeling of NC machine tool

Thermal errors are the major contributor to the dimensional errors of a workpiece in precision machining. Error compensation technique is a cost-effective way to reduce thermal errors. Accurate modeling of errors is a prerequisite of error compensation. In this paper, four key temperature points of a NC machine tool were obtained based on clustering method. A thermal error model based on the four key temperature points was proposed by using ant colony algorithm-based back propagation neural network (ACO-BPN). The ACO-BPN method improves the prediction accuracy of thermal deformation in the NC machine tool. A thermal error compensation system was developed based on the proposed model, and which has been applied to the NC machine tool in daily production. The results show that the thermal drift in workpiece diameter has been reduced from 33 to 8 μm from its center of tolerance.