專利名稱：數(shù)控機(jī)床熱特征監(jiān)控測(cè)點(diǎn)的布置方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及數(shù)控機(jī)床熱態(tài)特性監(jiān)控領(lǐng)域，尤其是涉及一種數(shù)控機(jī)床熱態(tài)特性監(jiān)控中測(cè)點(diǎn)的布置方法。
背景技術(shù)：
數(shù)控機(jī)床的加工精度是衡量數(shù)控機(jī)床工作性能的重要指標(biāo)，大量的研究表明，熱誤差是數(shù)控機(jī)床等精密加工機(jī)械的最大誤差源，占總誤差的70%左右，而對(duì)于超精密機(jī)床而言，甚至達(dá)到近90%。由于數(shù)控機(jī)床在加工過(guò)程中不可避免地存在內(nèi)外部熱源，特別是內(nèi)部熱源，必然導(dǎo)致熱變形誤差的產(chǎn)生。因而對(duì)數(shù)控機(jī)床熱態(tài)特性進(jìn)行監(jiān)控，控制其加工過(guò)程中熱變形影響就顯得非常重要。由于對(duì)機(jī)床加工時(shí)進(jìn)行熱變形實(shí)時(shí)測(cè)量不方便，在實(shí)際中通常通過(guò)在機(jī)床的一些熱敏感位置布置一些溫度傳感器，通過(guò)分析機(jī)床的溫度變化結(jié)合溫度和熱變形的模型推算出機(jī)床在當(dāng)前溫度場(chǎng)下的變形情況。目前像線性回歸、支持向量機(jī)、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等各種建模算法應(yīng)用于建立溫度和熱變形之間關(guān)系的模型有較多的相關(guān)報(bào)道。考慮到數(shù)控機(jī)床熱源的復(fù)雜性、多樣性，同時(shí)在機(jī)床的實(shí)際加工中出于成本考慮， 對(duì)機(jī)床熱態(tài)特性監(jiān)控中溫度傳感器測(cè)點(diǎn)的布置要求是(1)傳感器要盡可能的少；(2)要確定所布置的傳感器能夠盡可能準(zhǔn)確的反映機(jī)床總體熱態(tài)特性變化；C3)為了充分發(fā)揮傳感器的性能，各個(gè)傳感器測(cè)得的溫度數(shù)據(jù)要盡可能獨(dú)立，和其他傳感器測(cè)得的溫度數(shù)據(jù)耦合度要?。?4)為了最大限度提高后續(xù)熱變形計(jì)算的準(zhǔn)確性，要求傳感器測(cè)得位置溫度相對(duì)于熱變形比較敏感，以降低測(cè)量誤差對(duì)熱變形的影響?？紤]到這這些要求，合理的選擇機(jī)床熱態(tài)監(jiān)控的測(cè)點(diǎn)就顯得非常重要。目前對(duì)于數(shù)控機(jī)床熱態(tài)特性監(jiān)控測(cè)點(diǎn)的選擇，主要還是依賴于經(jīng)驗(yàn)，對(duì)測(cè)點(diǎn)的選擇還缺乏理論的指導(dǎo)和行之有效的方法，存在著技術(shù)問(wèn)題。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供了一種數(shù)控機(jī)床熱特征監(jiān)控測(cè)點(diǎn)的布置方法，通過(guò)測(cè)量數(shù)控機(jī)床的溫度場(chǎng)和熱變形數(shù)據(jù)后，使用數(shù)據(jù)處理模型進(jìn)行測(cè)點(diǎn)的溫度相關(guān)性系數(shù)的計(jì)算和熱敏感度計(jì)算，篩選出最佳數(shù)控機(jī)床熱特性監(jiān)控的測(cè)點(diǎn)，該方法具有簡(jiǎn)單有效、原理清晰、操作簡(jiǎn)單、可控性好等特點(diǎn)。一種數(shù)控機(jī)床熱特征監(jiān)控測(cè)點(diǎn)的布置方法，包括以下步驟1)在數(shù)控機(jī)床本體上選取用于檢測(cè)溫度變化的測(cè)點(diǎn)，按頻率采集測(cè)點(diǎn)上的溫度， 得到不同時(shí)間下測(cè)點(diǎn)的溫度值，將所述的溫度值按時(shí)間先后組合形成測(cè)點(diǎn)的溫度變化序列 X，在采集測(cè)點(diǎn)上的溫度的同時(shí)，按照所述的頻率采集不同時(shí)間下刀尖位置相對(duì)于工件的變形量，將所述的變形量按時(shí)間先后組合形成刀尖位置相對(duì)于工件的變形量序列△；2)根據(jù)步驟1)中測(cè)點(diǎn)的溫度變化序列X進(jìn)行溫度相關(guān)性系數(shù)計(jì)算后將測(cè)點(diǎn)分成各個(gè)組；
3)根據(jù)步驟1)中測(cè)點(diǎn)的溫度變化序列X和刀尖位置相對(duì)于工件的變形量序列Δ 對(duì)步驟2、中各個(gè)組中的各個(gè)測(cè)點(diǎn)進(jìn)行熱敏感度計(jì)算，經(jīng)過(guò)比較篩選后將每組中的最大熱敏感度的測(cè)點(diǎn)選出，組成選擇組；4)若數(shù)控機(jī)床熱特征監(jiān)控測(cè)點(diǎn)布置個(gè)數(shù)與選擇組中的測(cè)點(diǎn)個(gè)數(shù)相等，則選擇組中的所有測(cè)點(diǎn)即作為數(shù)控機(jī)床熱特征監(jiān)控測(cè)點(diǎn)，若數(shù)控機(jī)床熱特征監(jiān)控測(cè)點(diǎn)布置個(gè)數(shù)小于選擇組中的測(cè)點(diǎn)個(gè)數(shù)，從選擇組中按測(cè)點(diǎn)的熱敏感度由大到小的順序選擇與布置個(gè)數(shù)相等數(shù)量的測(cè)點(diǎn)，選擇的測(cè)點(diǎn)即作為數(shù)控機(jī)床熱特征監(jiān)控測(cè)點(diǎn)。為了取得更好的發(fā)明效果，對(duì)本發(fā)明進(jìn)行優(yōu)選所述的用于檢測(cè)溫度變化的測(cè)點(diǎn)分布在床身、主軸附近和絲杠附近處?？紤]到主軸及絲杠為機(jī)床的熱源，而床身受熱后變形是機(jī)床熱變形的主要原因，為了使選擇的測(cè)點(diǎn)能更好的反應(yīng)機(jī)床整體的熱變形情況，在床身、主軸外套和絲杠軸承套處均布置了一系列的溫度測(cè)點(diǎn)，更優(yōu)選的，所述的用于檢測(cè)溫度變化的測(cè)點(diǎn)的個(gè)數(shù)大于或等于10個(gè)，并均勻分布于床身、主軸外套和絲杠軸承套處。這樣經(jīng)溫度相關(guān)性系數(shù)計(jì)算和最大熱敏感度計(jì)算后選出的數(shù)控機(jī)床熱特征監(jiān)控測(cè)點(diǎn)，能更好的監(jiān)控?cái)?shù)控機(jī)床的熱特性，有利于后續(xù)對(duì)數(shù)控機(jī)床的熱變形進(jìn)行建模和誤差補(bǔ)償。所述的測(cè)點(diǎn)上的溫度采用溫度傳感器進(jìn)行檢測(cè)，溫度傳感器具體可選擇比較多， 優(yōu)選的溫度傳感器可選用熱電偶和熱電阻。所述的刀尖位置相對(duì)于工件的變形量采用位移傳感器進(jìn)行檢測(cè)，位移傳感器可選用激光位移傳感器，刀尖位置相對(duì)于工件的變形量，即由熱變形帶來(lái)的熱誤差，熱誤差來(lái)源于Z軸、X軸和Y軸三個(gè)方向(即Z向、X向和Y向)帶來(lái)的熱變形，Z向熱變形(主軸的熱伸長(zhǎng))在熱誤差中所占比重最大，一般為了檢測(cè)方便和出于成本考慮，所述的刀尖位置相對(duì)于工件的變形量?jī)?yōu)選為刀尖位置相對(duì)于工件Z軸方向的變形量，可以使用一臺(tái)激光位移傳感器對(duì)數(shù)控機(jī)床刀尖位置相對(duì)于工件Z向的變形量進(jìn)行檢測(cè)，不但能反映數(shù)控機(jī)床熱誤差的情況，還一定程度上節(jié)約了使用成本，當(dāng)然也可以使用三臺(tái)激光位移傳感器對(duì)Z軸、X 軸、Y軸三個(gè)方向的變形量進(jìn)行檢測(cè)，然后取平均值，能更好的檢測(cè)刀尖位置相對(duì)于工件的熱誤差，能保證本發(fā)明方法得到的結(jié)果具有更好的準(zhǔn)確性，使用兩臺(tái)激光位移傳感器檢測(cè)兩個(gè)方向的變形量，進(jìn)而得到刀尖位置相對(duì)于工件的變形量，也能滿足要求。為了檢測(cè)的方便和便于數(shù)據(jù)的處理，所述的頻率優(yōu)選為固定頻率，在固定頻率下， 測(cè)點(diǎn)上的溫度的采集的間隔時(shí)間是一樣的，一方面這樣能保證數(shù)據(jù)檢測(cè)的穩(wěn)定性，另一方面，檢測(cè)的數(shù)據(jù)是均勻分散在檢測(cè)的時(shí)間段，在進(jìn)行溫度相關(guān)性系數(shù)和熱敏感度的計(jì)算中， 能有更好的準(zhǔn)確率，從而保證數(shù)控機(jī)床熱特征監(jiān)控測(cè)點(diǎn)選取的準(zhǔn)確性。頻率代表了數(shù)據(jù)采集的間隔時(shí)間，本發(fā)明方法中，只要是溫度采集的間隔時(shí)間和刀尖位置相對(duì)于工件的變形量的間隔時(shí)間相等就行，就能達(dá)到使相應(yīng)的溫度和熱變形的具有對(duì)應(yīng)關(guān)系，即測(cè)點(diǎn)上某時(shí)刻下的溫度，對(duì)應(yīng)該時(shí)刻下的刀尖位置相對(duì)于工件的變形量。因此，頻率并不是一定需要固定，可以變頻，但是要保證測(cè)點(diǎn)溫度采集的頻率和刀尖位置相對(duì)于工件的變形量采集的頻率相等，這樣就能是滿足本發(fā)明的目的。所述的步驟2)包括以下步驟(a)在測(cè)點(diǎn)中任取一個(gè)測(cè)點(diǎn)，記作第i個(gè)測(cè)點(diǎn)，以第i個(gè)測(cè)點(diǎn)為基準(zhǔn)，按頻率共采集N次，則第i個(gè)測(cè)點(diǎn)的溫度變化序列X表示為Xi = Ix11, x12,…xiN}，將除第i個(gè)測(cè)點(diǎn)以
5外的測(cè)點(diǎn)與第i個(gè)測(cè)點(diǎn)進(jìn)行溫度相關(guān)性系數(shù)計(jì)算，若除第i個(gè)測(cè)點(diǎn)以外的測(cè)點(diǎn)為第k個(gè)測(cè)點(diǎn)，第k個(gè)測(cè)點(diǎn)的溫度變化序列X表示為)(k= {xkl, xk2,…、}，計(jì)算第i個(gè)測(cè)點(diǎn)和第k個(gè)測(cè)點(diǎn)之間的溫度相關(guān)性系數(shù)，溫度變化序列& = {Xil，Xi2，…xiN}中的最大值為Ximax，溫度變化序列A= {xkl,xk2, -X }中的最大值為 (b)第i個(gè)測(cè)點(diǎn)和第k個(gè)測(cè)點(diǎn)之間的溫度相關(guān)性系數(shù)采用
權(quán)利要求
1.一種數(shù)控機(jī)床熱特征監(jiān)控測(cè)點(diǎn)的布置方法，包括以下步驟1)在數(shù)控機(jī)床本體上選取用于檢測(cè)溫度變化的測(cè)點(diǎn)，按頻率采集測(cè)點(diǎn)上的溫度，得到不同時(shí)間下測(cè)點(diǎn)的溫度值，將所述的溫度值按時(shí)間先后組合形成測(cè)點(diǎn)的溫度變化序列X， 在采集測(cè)點(diǎn)上的溫度的同時(shí)，按照所述的頻率采集不同時(shí)間下刀尖位置相對(duì)于工件的變形量，將所述的變形量按時(shí)間先后組合形成刀尖位置相對(duì)于工件的變形量序列Δ ；2)根據(jù)步驟1)中測(cè)點(diǎn)的溫度變化序列X進(jìn)行溫度相關(guān)性系數(shù)計(jì)算后將測(cè)點(diǎn)分成各個(gè)組；3)根據(jù)步驟1)中測(cè)點(diǎn)的溫度變化序列X和刀尖位置相對(duì)于工件的變形量序列△對(duì)步驟2)中各個(gè)組中的各個(gè)測(cè)點(diǎn)進(jìn)行熱敏感度計(jì)算，經(jīng)過(guò)比較篩選后將每組中的最大熱敏感度的測(cè)點(diǎn)選出，組成選擇組；4)若數(shù)控機(jī)床熱特征監(jiān)控測(cè)點(diǎn)布置個(gè)數(shù)與選擇組中的測(cè)點(diǎn)個(gè)數(shù)相等，則選擇組中的所有測(cè)點(diǎn)即作為數(shù)控機(jī)床熱特征監(jiān)控測(cè)點(diǎn)，若數(shù)控機(jī)床熱特征監(jiān)控測(cè)點(diǎn)布置個(gè)數(shù)小于選擇組中的測(cè)點(diǎn)個(gè)數(shù)，從選擇組中按測(cè)點(diǎn)的熱敏感度由大到小的順序選擇與布置個(gè)數(shù)相等數(shù)量的測(cè)點(diǎn)，選擇的測(cè)點(diǎn)即作為數(shù)控機(jī)床熱特征監(jiān)控測(cè)點(diǎn)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1中所述的數(shù)控機(jī)床熱特征監(jiān)控測(cè)點(diǎn)的布置方法，其特征在于，所述的用于檢測(cè)溫度變化的測(cè)點(diǎn)分布在床身、主軸外套和絲杠軸承套處。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2中所述的數(shù)控機(jī)床熱特征監(jiān)控測(cè)點(diǎn)的布置方法，其特征在于，所述的用于檢測(cè)溫度變化的測(cè)點(diǎn)的個(gè)數(shù)大于或等于10個(gè)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1中所述的數(shù)控機(jī)床熱特征監(jiān)控測(cè)點(diǎn)的布置方法，其特征在于，所述的測(cè)點(diǎn)上的溫度采用溫度傳感器進(jìn)行檢測(cè)；所述的刀尖位置相對(duì)于工件的變形量采用位移傳感器進(jìn)行檢測(cè)。
5.根據(jù)權(quán)利要求1或4中所述的數(shù)控機(jī)床熱特征監(jiān)控測(cè)點(diǎn)的布置方法，其特征在于，所述的刀尖位置相對(duì)于工件的變形量為刀尖位置相對(duì)于工件Z軸方向的變形量。
6.根據(jù)權(quán)利要求1中所述的數(shù)控機(jī)床熱特征監(jiān)控測(cè)點(diǎn)的布置方法，其特征在于，所述的頻率為固定頻率。
7.根據(jù)權(quán)利要求1中所述的數(shù)控機(jī)床熱特征監(jiān)控測(cè)點(diǎn)的布置方法，其特征在于，所述的步驟幻包括以下步驟(a)在測(cè)點(diǎn)中任取一個(gè)測(cè)點(diǎn)，記作第i個(gè)測(cè)點(diǎn)，以第i個(gè)測(cè)點(diǎn)為基準(zhǔn)，按頻率共采集N 次，則第i個(gè)測(cè)點(diǎn)的溫度變化序列X表示為& = Ixil, xi2,…xiN}，將除第i個(gè)測(cè)點(diǎn)以外的測(cè)點(diǎn)與第i個(gè)測(cè)點(diǎn)進(jìn)行溫度相關(guān)性系數(shù)計(jì)算，若除第i個(gè)測(cè)點(diǎn)以外的測(cè)點(diǎn)為第k個(gè)測(cè)點(diǎn)，第 k個(gè)測(cè)點(diǎn)的溫度變化序列X表示為& = {xkl, xk2,…xM}，計(jì)算第i個(gè)測(cè)點(diǎn)和第k個(gè)測(cè)點(diǎn)之間的溫度相關(guān)性系數(shù)，溫度變化序列& = {xn，xi2，…χ }中的最大值為Ximax，溫度變化序列 A= {xki' Xk2' -XkNl 中的最大值為 Xkmax ；(b)第i個(gè)測(cè)點(diǎn)和第k個(gè)測(cè)點(diǎn)之間的溫度相關(guān)性系數(shù)采用Clk= ι -N2N、2公式進(jìn)行計(jì)算，其中，5.=1(2 Mmax-1) , ^= /Xteax-Ij ,7=1M
8.根據(jù)權(quán)利要求1中所述的數(shù)控機(jī)床熱特征監(jiān)控測(cè)點(diǎn)的布置方法，其特征在于，步驟 3)中，所述的熱敏感度計(jì)算，包括以下步驟(e)在測(cè)點(diǎn)中任取一個(gè)測(cè)點(diǎn)，記作第h個(gè)測(cè)點(diǎn)，按頻率共采集N次，則第h個(gè)測(cè)點(diǎn)的溫度變化序列X表示為{xhl,Xh2,…XhJ，刀尖位置相對(duì)于工件的變形量序列Δ表示Δ ={δι; δ2，…δΝ}，溫度變化序列\(zhòng)= {xhl, xh2,…、}中的最大值為^max，刀尖位置相對(duì)于工件的變形量序列A = ISnS2,…δΝ}中的最大值為δ_ ；(f)第h個(gè)測(cè)點(diǎn)的熱敏感度定義為
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種數(shù)控機(jī)床熱特征監(jiān)控測(cè)點(diǎn)的布置方法，包括以下步驟1)在數(shù)控機(jī)床本體上選取測(cè)點(diǎn)，按頻率采集不同時(shí)間下測(cè)點(diǎn)的溫度值和不同時(shí)間下的刀尖位置相對(duì)于工件的變形量，形成測(cè)點(diǎn)的溫度變化序列X和刀尖位置相對(duì)于工件的變形量序列Δ；2)根據(jù)測(cè)點(diǎn)的溫度變化序列X進(jìn)行溫度相關(guān)性系數(shù)計(jì)算后將測(cè)點(diǎn)分成各個(gè)組；3)根據(jù)測(cè)點(diǎn)的溫度變化序列X和刀尖位置相對(duì)于工件的變形量序列Δ數(shù)據(jù)各個(gè)組中的測(cè)點(diǎn)進(jìn)行熱敏感度計(jì)算，將每組中的最大熱敏感度的測(cè)點(diǎn)選出，組成選擇組；4)根據(jù)數(shù)控機(jī)床熱特征監(jiān)控測(cè)點(diǎn)布置個(gè)數(shù)不同，從選擇組中選出測(cè)點(diǎn)作為數(shù)控機(jī)床熱特征監(jiān)控測(cè)點(diǎn)。該方法具有簡(jiǎn)單有效、原理清晰、操作簡(jiǎn)單、可控性好等優(yōu)點(diǎn)。
文檔編號(hào)B23Q17/00GK102179725SQ20111006536
公開(kāi)日2011年9月14日 申請(qǐng)日期2011年3月17日 優(yōu)先權(quán)日2011年3月17日
發(fā)明者傅建中, 沈洪垚, 賀永, 陳子辰 申請(qǐng)人:浙江大學(xué)