机理驱动的机床进给轴时变热误差模型在线进化方法技术

一种机理驱动的机床进给轴时变热误差模型在线进化方法，步骤为：基于摩擦生热、热传导和对流散热机理，建立机理驱动的机床进给轴时变热误差模型；依据在线直接测量和接近最终因变量原则，确定关键中间因变量为丝杠温度；根据中间因变量的模型计算值和在线测量值的一致性，主动识别机理驱动模型的准确性，若一致性差，则模型准确性差，若一致性好，则模型准确性好；根据模型准确性的主动识别结果，若模型准确性差，则进行模型参数在线更新，若模型准确性好，则保持模型不变。本发明专利技术使机理驱动的机床进给轴时变热误差模型具有在线进化能力，为提高时变热误差模型在长期运行中的鲁棒性，保证机床时变热误差长期准确补偿提供了具体方案。方案。方案。

【技术实现步骤摘要】
机理驱动的机床进给轴时变热误差模型在线进化方法


[0001]本专利技术属于数控机床误差补偿
，涉及一种机理驱动的机床进给轴时变热误差模型在线进化方法。

技术介绍

[0002]时变热误差是影响机床精度稳定性的重要因素。机床时变热误差的存在不仅易导致单件加工精度超差，且易导致批量加工精度波动。误差补偿是控制数控机床时变热误差的有效手段。
[0003]实施数控机床时变热误差补偿的前提是建立准确的机床时变热误差模型。国内外学者在机床时变热误差建模方面开展了大量研究。目前，已建立的数控机床时变热误差模型可分为机理驱动的时变热误差模型和数据驱动的时变热误差模型两类。其中，机理驱动的时变热误差模型在节省训练时间、减少温度测点、提升误差补偿鲁棒性方面具有独特优势。在误差建模时令下，机理驱动的时变热误差补偿产生了令人满意的效果。然而，由于机床工况复杂，在长期应用过程中，受时令变化、运动部件磨损、冷却润滑条件改变等因素影响，机床实际工作条件可能与用于经验模型推导的试验条件不同。如何保证机理驱动的机床时变热误差模型在长期运行中始终适应机床工作状态，是需要深入研究且事关机床时变热误差长期精准补偿的关键问题。
[0004]经检索发现，目前已有数据驱动模型的在线更新相关研究，在专利技术专利“一种主元分析监控模型的在线更新方法”(专利号：CN201210080056.3)中公开了一种用于多变量统计过程监控模型的在线更新方法，以保证主元分析适应实际生产过程中，催化剂退化、设备老化积灰等外界环境因素造成的过程变量缓慢漂移。在专利技术专利“进化的机器学习模型”(专利号：CN201980027832.3)中公开了一种用于机器学习领域的机器学习模型进化方法。在专利技术专利“一种自适应模型在线重构建鲁棒滤波方法、设备及系统”(专利号：CN202210448169.8)中，公开了一种信息融合领域的自适应模型在线重构建鲁棒滤波方法，用于权衡导航精度、鲁棒性以及计算效率，提升水下机器人的长时作业能力。然而，上述方法皆适用于数据驱动模型的在线进化，目前尚未发现针对机理驱动模型在线进化的相关研究。

技术实现思路

[0005]本专利技术面向数控机床时变热误差长期精准补偿的迫切需求，提供了一种新的机理驱动的机床进给轴时变热误差模型在线进化方法，可通过机理驱动模型的中间因变量计算数据集与实测数据集的一致性判断，实现机理驱动模型准确性的主动识别；并利用中间因变量的实际测量值在线更新退化模型的参数，以保证进给轴时变热误差模型在机床长期运行过程中始终准确。
[0006]为了达到上述目的，本专利技术采用的技术方案为：
[0007]一种机理驱动的机床进给轴时变热误差模型在线进化方法，首先，基于摩擦生热、
热传导和对流散热机理，建立机理驱动的机床进给轴时变热误差模型；然后，根据进给轴时变热误差模型推导过程，选取机床温度作为关键中间因变量；之后，获取中间因变量的模型计算数据集与在线测量数据集；接着，根据中间因变量的模型计算数据集和在线测量数据集的一致性，主动识别机理驱动模型的准确性，若中间因变量的模型计算数据集和在线测量数据集不一致，则判断为模型准确性差，若中间因变量的模型计算数据集和在线测量数据集一致，则判断为模型准确性好；最后，根据模型准确性的主动识别结果，决定是否进行模型参数在线更新，若模型准确性差，则进行模型参数在线更新，若模型准确性好，则保持模型不变；所述方法包括如下步骤：
[0008]第一步，建立机理驱动的机床进给轴时变热误差模型；
[0009]以机床进给轴机械坐标原点为原点，沿运动轴线方向建立坐标系O
‑
x，在与坐标原点O相距x处取微段dx，基于摩擦生热、热传导和对流换热理论，计算丝杠微段dx的摩擦生热量、热传导量和对流换热量，结合能量守恒定律，计算丝杠微段dx的热变形，并在进给轴行程范围内进行积分，建立机理驱动的数控机床进给轴时变热误差模型；
[0010]x位置处的丝杠微段dx与螺母在(t
‑
Δt,t)时间段内摩擦生热量Q
f
(x,t)表示为：
[0011][0012]式中，Q0是螺母摩擦丝杠微段dx一次产生的热量；N是单位时间内螺母与丝杠dx段的平均摩擦次数；
[0013](t
‑
Δt,t)时间段内丝杠微段的热传导热量分别为：
[0014][0015][0016]式中，Q
t
(x,t)为(t
‑
Δt,t)时间段内x位置处的热传导热量；Q
t
(x+dx,t)为(t
‑
Δt,t)时间段内x+dx位置处的热传导热量；λ为丝杠的热传导系数；R
s
为丝杠的等效直径；为t时刻x位置处的温度梯度数值，为t时刻x+dx位置处的温度梯度数值；
[0017](t
‑
Δt,t)时间段内辐射和对流综合传热过程的传热量Q
cr
(x,t)表示为：
[0018][0019]式中，k是丝杠运动时，对流换热强度的增大倍数；h是丝杠与空气的对流换热系数；T
s
(x,t)是t时刻丝杠x位置处丝杠的温度；T
f
(t)是t时刻与丝杠表面接触的空气温度；
[0020]在(t
‑
Δt,t)时间段内丝杠微段dx的热增量ΔQ(x,t)为：
[0021][0022]式中，c是丝杠材料的比热容；ρ是丝杠材料的密度；是t时刻丝杠x位置处丝杠的温度随时间的变化速率；
[0023]根据能量守恒，结合式(1)～(5)得到丝杠温度场：
[0024][0025]丝杠在任意时刻t的热膨胀误差：
[0026][0027]式中，coff为丝杠的热膨胀系数；l是直线进给轴的热膨胀误差计算范围；T
st
(x,t)是t时刻x位置处的丝杠温度测量值；T
st
(x,0)是初始时刻x位置处的丝杠温度测量值。
[0028]第二步，确定机理驱动的进给轴时变热模型关键中间因变量；
[0029]用于模型准确性主动识别的关键中间因变量选取原则有二：a.中间因变量易在线直接测量；b.中间因变量应尽量接近最终因变量，保证求解中间因变量时所需模型参数包含影响研究对象机理的关键参数；
[0030]根据机理驱动的机床进给轴时变热误差模型推导过程，依据关键中间因变量的选取原则，选取丝杠的温度T
s
(x,t)作为中间因变量；另外，求解T
s
(x,t)时用到了全部未知参数K
n
＝[R
s
,Q0,h,λ,k]，可在模型参数更新时确保关键参数被更新。
[0031]第三步，获取中间因变量的模型计算数据集与在线测量数据集；
[0032]机床工作过程中，将丝杠的温度作为关键中间因变量T
s
(x,t)，其模型计算值由机理驱动的进给轴时变热误差模型计算得到，并形成数据集T<本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种机理驱动的机床进给轴时变热误差模型在线进化方法，其特征在于，所述的在线进化方法：首先，基于摩擦生热、热传导和对流散热机理，建立机理驱动的机床进给轴时变热误差模型；其次，根据进给轴时变热误差模型推导过程，选取机床温度作为关键中间因变量；再次，获取中间因变量的模型计算数据集与在线测量数据集；接着，根据中间因变量的模型计算数据集和在线测量数据集的一致性，主动识别机理驱动模型的准确性，若中间因变量的模型计算数据集和在线测量数据集不一致，则判断为模型准确性差，若中间因变量的模型计算数据集和在线测量数据集一致，则判断为模型准确性好；最后，根据模型准确性的主动识别结果，决定是否进行模型参数在线更新，若模型准确性差，则进行模型参数在线更新，若模型准确性好，则保持模型不变。2.根据权利要求1所述的一种机理驱动的机床进给轴时变热误差模型在线进化方法，其特征在于，所述在线进化方法包括如下步骤：第一步，建立机理驱动的机床进给轴时变热误差模型；以机床进给轴机械坐标原点为原点，沿运动轴线方向建立坐标系O
‑
x，在与坐标原点O相距x处取微段dx，基于摩擦生热、热传导和对流换热理论，计算丝杠微段dx的摩擦生热量、热传导量和对流换热量，结合能量守恒定律，计算丝杠微段dx的热变形，并在进给轴行程范围内进行积分，建立机理驱动的数控机床进给轴时变热误差模型；x位置处的丝杠微段dx与螺母在(t
‑
Δt,t)时间段内摩擦生热量Q
f
(x,t)表示为：式中，Q0是螺母摩擦丝杠微段dx一次产生的热量；N是单位时间内螺母与丝杠dx段的平均摩擦次数；(t
‑
Δt,t)时间段内丝杠微段的热传导热量分别为：Δt,t)时间段内丝杠微段的热传导热量分别为：式中，Q
t
(x,t)为(t
‑
Δt,t)时间段内x位置处的热传导热量；Q
t
(x+dx,t)为(t
‑
Δt,t)时间段内x+dx位置处的热传导热量；λ为丝杠的热传导系数；R
s
为丝杠的等效直径；为t时刻x位置处的温度梯度数值，为t时刻x+dx位置处的温度梯度数值；(t
‑
Δt,t)时间段内辐射和对流综合传热过程的传热量Q
cr
(x,t)表示为：式中，k是丝杠运动时，对流换热强度的增大倍数；h是丝杠与空气的对流换热系数；T
s
(x,t)是t时刻丝杠x位置处丝杠的温度；T
f
(t)是t时刻与丝杠表面接触的空气温度；在(t
‑
Δt,t)时间段内丝杠微段dx的热增量ΔQ(x,t)为：
式中，c是丝杠材料的比热容；ρ是丝杠材料的密度；是t时刻丝杠x位置处丝杠的温度随时间的变化速率；根据能量守恒，结合式(1)～(5)得到丝杠温度场：丝杠在任意时刻t的热膨胀误差：式中，coff为丝杠的热膨胀系数；l是直线进给轴的热膨胀误差计算范围；T
st
(x,t)是t时刻x位置处的丝杠温度测量值；T
st
(x,0)是初始时刻x位置处的丝杠温度测量值；第二步...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘阔，宋磊，李凯，邵佳煊，张松，王永青，
申请(专利权)人：大连理工大学，
类型：发明
国别省市：