[發明專利]基于無味卡爾曼濾波算法的機床主軸熱誤差快速辨識方法

在審

• 申請號: 202111344769.1
• 申請日: 2021-11-15
• 公開（公告）號: CN114021368A
• 公開（公告）日: 2022-02-08
• 發明（設計）人: 付國強;周琳豐;雷國強;鄭悅;朱思佩;魯彩江
• 申請（專利權）人: 西南交通大學
• 主分類號: G06F30/20
• 分類號: G06F30/20;G06F17/16;G06F119/08
• 代理公司: 北京正華智誠專利代理事務所(普通合伙) 11870
• 代理人: 李夢蝶

本發明公開了基于無味卡爾曼濾波算法的機床主軸熱誤差快速辨識方法，其包括建立指數形式的機床主軸熱誤差模型；基于機床主軸熱誤差模型，建立無味卡爾曼濾波算法的狀態方程；將狀態方程的參數作為輸入，基于奇異值矩陣構造無味卡爾曼濾波算法的狀態向量點集；獲取熱誤差預測值，對熱誤差預測值進行自適應調整；獲取熱誤差實際測量值，并結合調整后的熱誤差預測值進行平均絕對百分比誤差計算；對熱誤差實際測量值和熱誤差預測值進行均方根誤差計算；計算機床主軸三個方向的辨識時間，選擇三個辨識時間中的最大值統一作為三個方向的辨識時間，得到統一辨識時間，實現熱誤差辨識。本發明實現了機床主軸的熱誤差快速辨識。

技術領域

本發明涉及數控機床熱誤差辨識領域，具體涉及基于無味卡爾曼濾波算法的機床主軸熱誤差快速辨識方法。

背景技術

機床熱誤差是影響機床加工精度的主要誤差源之一。熱平衡是減少熱誤差影響，保障機床加工精度的常用方法。然而，機床的熱平衡是一個相對緩慢的過程。合理控制這一過程，減少機床達到熱平衡的時間，提高機床的工作效率，是精密機床制造業迫切需要解決的問題。機床主軸熱誤差的快速辨識是縮短熱平衡時間的基礎，是精度提升的先決必備條件之一。

現有方法在辨識主軸熱誤差時在快速性和簡潔性上有待進一步提高。實際中大多采用遺傳神經網絡、灰色理論、聚類模糊、線性回歸等方法建立熱誤差模型，這些模型需要大量的熱誤差測量數據，并要進行復雜的訓練。整個過程需要大量的計算才能獲得后續的熱誤差，往往熱誤差模型的訓練時間占到總體辨識時間的一半以上。因此開展機床主軸熱誤差快速辨識方法的研究能夠加快縮短機床熱平衡時間的研究步伐。

發明內容

針對現有技術中的上述不足，本發明提供的基于無味卡爾曼濾波算法的機床主軸熱誤差快速辨識方法解決了現有技術熱誤差辨識時間長的問題。

為了達到上述發明目的，本發明采用的技術方案為：

提供一種基于無味卡爾曼濾波算法的機床主軸熱誤差快速辨識方法，其包括以下步驟：

S1、建立指數形式的機床主軸熱誤差模型；

S2、基于機床主軸熱誤差模型，建立無味卡爾曼濾波算法的狀態方程；

S3、將狀態方程中上一時刻的參數作為輸入，基于奇異值矩陣構造無味卡爾曼濾波算法的狀態向量點集；

S4、將狀態向量點集輸入標準無味卡爾曼濾波算法，得到熱誤差預測值；

S5、對熱誤差預測值進行自適應調整；

S6、獲取熱誤差實際測量值，并結合調整后的熱誤差預測值進行平均絕對百分比誤差計算，得到延時時刻；

S7、基于延時時刻對熱誤差實際測量值和熱誤差預測值進行均方根誤差計算，分別得到機床主軸三個方向的辨識時間；

S8、選擇三個辨識時間中的最大值統一作為三個方向的辨識時間，得到統一辨識時間，實現熱誤差辨識。

進一步地，步驟S2中建立無味卡爾曼濾波算法的狀態方程的具體方法為：

根據公式：

建立無味卡爾曼濾波算法的狀態方程；其中x_i,t為t時刻第i個點的狀態向量，w_i,t-1為t-1時刻第i個點的過程噪聲，δ_t-1為t-1時刻第i個點的熱誤差，α_s為材料的熱膨脹系數，D為與材料的物理性質和初始溫度相關的常數，e為自然對數，β為待定系數。

進一步地，步驟S3中構造無味卡爾曼濾波算法的狀態向量點集的具體方法為：

根據公式：