主成分算法在数控机床主轴热误差补偿中的应用

魏新园; 陈雨尘; 苗恩铭; 冯旭刚; 潘巧生

doi:10.37188/OPE.20212911.2649

您当前的位置：

首页 >

文章列表页 >

主成分算法在数控机床主轴热误差补偿中的应用

微纳技术与精密机械 | 更新时间：2022-01-25

- 主成分算法在数控机床主轴热误差补偿中的应用
- Application of principal component algorithm in spindle thermal error modeling of CNC machine tools
- 光学精密工程 2021年29卷第11期页码：2649-2660
- 作者机构：
  
  1.安徽工业大学电气与信息工程学院，安徽马鞍山 243032
  2.重庆理工大学机械工程学院，重庆 400054
  3.合肥工业大学仪器科学与光电工程学院，安徽合肥 230009
- 作者简介：
  
  [ "魏新园（1994-），男，安徽淮北人，博士，讲师，2015年和2020年于合肥工业大学分别获得学士和博士学位，现为安徽工业大学电气与信息工程学院讲师，主要从事精密数控机床热误差建模理论与精度保障技术研究。E-mail：weixy@ahut.edu.cn" ]
  [ "苗恩铭（1970-），男，安徽阜阳人，博士生导师、教授，2004年于合肥工业大学获得博士学位，主要研究方向为精密机械工程、精度理论、数控机床热误差补偿、机械热鲁棒性结构设计理论与应用技术。E-mail：miaoem@163.com" ]
- 基金信息：
  
  国家重点研发计划项目(2019YFB1703700);安徽省自然科学基金青年项目(1908085QF294);重庆市技术创新与应用发展专项项目(cstc2019jscx-mbdxX0045;cstc2019jscx-mbdxX0016)
- DOI：10.37188/OPE.20212911.2649
  中图分类号： TH161;TG659
- 收稿日期：2021-04-02，
  
  修回日期：2021-06-09，
  
  纸质出版日期：2021-11-15
- 稿件说明：
移动端阅览
魏新园,陈雨尘,苗恩铭等.主成分算法在数控机床主轴热误差补偿中的应用[J].光学精密工程,2021,29(11):2649-2660.

WEI Xin-yuan,CHEN Yu-chen,MIAO En-ming,et al.Application of principal component algorithm in spindle thermal error modeling of CNC machine tools[J].Optics and Precision Engineering,2021,29(11):2649-2660.
魏新园,陈雨尘,苗恩铭等.主成分算法在数控机床主轴热误差补偿中的应用[J].光学精密工程,2021,29(11):2649-2660. DOI： 10.37188/OPE.20212911.2649.

WEI Xin-yuan,CHEN Yu-chen,MIAO En-ming,et al.Application of principal component algorithm in spindle thermal error modeling of CNC machine tools[J].Optics and Precision Engineering,2021,29(11):2649-2660. DOI： 10.37188/OPE.20212911.2649.

摘要

为了提高数控机床热误差补偿模型的预测精度与稳健性，对主成分算法在数控机床主轴热误差建模中的应用进行了研究。首先，根据主成分算法原理，提出基于主成分分析的温度敏感点选择算法和热误差建模算法。然后，以一台三轴立式加工中心为对象进行全年温度范围内的主轴热误差测量实验，并基于实验数据建立主轴热误差主成分回归（Principal Component Regression， PCR）模型。进而，将所建立的PCR模型与多元线性回归模型、BP神经网络模型和岭回归模型的预测精度与稳健性进行比对分析，实验结果表明PCR模型在该四种模型中具有最高的预测精度和稳健性，分别达到6.8 μm和2.4 μm。最后，使用所建立的PCR模型对按照转速图谱运行的机床主轴热误差进行预测，预测精度和稳健性分别为6.12 μm和3.43 μm。并将PCR模型嵌入到热误差补偿控制器中进行热误差补偿实验，以验证本文建模算法的有效性。

Abstract

To improve the prediction accuracy and robustness of the spindle thermal error compensation model of computer numerical control （CNC） machine tools， this study investigates the application of the principal component algorithm to the thermal error modeling of CNC machine tools. First， a selection algorithm of the temperature sensitive point and thermal error modeling algorithm based on principal component algorithm are proposed. Second， a three-axis vertical machining center is used to measure the spindle thermal error over an entire year. Thereafter， the principal component regression （PCR） model of the spindle thermal error is established based on the experimental data obtained. Then， the prediction accuracy and robustness of the PCR model are compared with those of the multivariate linear regression， back propagation （BP） neural network， and ridge regression models. The experimental results show that the PCR model has the highest prediction accuracy （6.8 μm） and robustness （2.4 μm）. Finally， the developed PCR model is used to predict the thermal errors of machine spindles that operate according to the speed spectrum. In this case， the model exhibits a prediction accuracy and robustness of 6.12 μm and 3.43 μm， respectively. Finally， the PCR model is embedded into the thermal error compensation controller for performing thermal error compensation experiments to verify the effectiveness of the proposed modeling algorithm.

关键词

Keywords

references

王海同，李铁民，王立平，等 . 机床热误差建模研究综述［J］. 机械工程学报， 2015 ， 51 （ 9 ）： 119 - 128 . doi: 10.3901/JME.2015.09.119 http://dx.doi.org/10.3901/JME.2015.09.119

WANG H T ， LI T M ， WANG L P ， et al . Review on thermal error modeling of machine tools ［J］. Journal of Mechanical Engineering ， 2015 ， 51 （ 9 ）： 119 - 128 . （in Chinese） . doi: 10.3901/JME.2015.09.119 http://dx.doi.org/10.3901/JME.2015.09.119

李荣钢，唐晓林，张寒，等 . 数控机床热误差实时补偿［J］. 成都大学学报（自然科学版）， 2018 ， 37 （ 1 ）： 75 - 79 .

LI R G ， TANG X L ， ZHANG H ， et al . Real-time compensation of thermal errors of NC machine tools ［J］. Journal of Chengdu University （Natural Science Edition）， 2018 ， 37 （ 1 ）： 75 - 79 . （in Chinese）

邓小雷，林欢，王建臣，等 . 机床主轴热设计研究综述［J］. 光学精密工程， 2018 ， 26 （ 6 ）： 1415 - 1429 . doi: 10.3788/ope.20182606.1415 http://dx.doi.org/10.3788/ope.20182606.1415

DENG X L ， LIN H ， WANG J CH ， et al . Review on thermal design of machine tool spindles ［J］. Opt. Precision Eng. ， 2018 ， 26 （ 6 ）： 1415 - 1429 . （in Chinese） . doi: 10.3788/ope.20182606.1415 http://dx.doi.org/10.3788/ope.20182606.1415

郭辰光，韩雪，李源，等 . 精密数控车床主轴热误差建模［J］. 光学精密工程， 2016 ， 24 （ 7 ）： 1731 - 1742 . doi: 10.3788/ope.20162407.1731 http://dx.doi.org/10.3788/ope.20162407.1731

GUO CH G ， HAN X ， LI Y ， et al . Thermal error modeling for spindle system of precision CNC lathe ［J］. Opt. Precision Eng. ， 2016 ， 24 （ 7 ）： 1731 - 1742 . （in Chinese） . doi: 10.3788/ope.20162407.1731 http://dx.doi.org/10.3788/ope.20162407.1731

VOLK W ， GROCHE P ， BROSIUS A ， et al . Models and modelling for process limits in metal forming ［J］. CIRP Annals ， 2019 ， 68 （ 2 ）： 775 - 798 . doi: 10.1016/j.cirp.2019.05.007 http://dx.doi.org/10.1016/j.cirp.2019.05.007

田国富，胡军，郭玉学 . 多元线性回归理论在数控机床热误差补偿中的应用［J］. 机械工程与自动化， 2013 （ 2 ）： 128 - 131 . doi: 10.3969/j.issn.1672-6413.2013.02.053 http://dx.doi.org/10.3969/j.issn.1672-6413.2013.02.053

TIAN G F ， HU J ， GUO Y X . Application of multiple linear regression theory in thermal error compensation of CNC machine tool ［J］. Mechanical Engineering & Automation ， 2013 （ 2 ）： 128 - 131 . （in Chinese） . doi: 10.3969/j.issn.1672-6413.2013.02.053 http://dx.doi.org/10.3969/j.issn.1672-6413.2013.02.053

谭峰，李成南，萧红，等 . 基于LSTM循环神经网络的数控机床热误差预测方法［J］. 仪器仪表学报， 2020 ， 41 （ 9 ）： 79 - 87 .

TAN F ， LI CH N ， XIAO H ， et al . A thermal error prediction method for CNC machine tool based on LSTM recurrent neural network ［J］. Chinese Journal of Scientific Instrument ， 2020 ， 41 （ 9 ）： 79 - 87 . （in Chinese）

李彬，张云，王立平，等 . 基于遗传算法优化小波神经网络数控机床热误差建模［J］. 机械工程学报， 2019 ， 55 （ 21 ）： 215 - 220 . doi: 10.1109/iciase45644.2019.9074094 http://dx.doi.org/10.1109/iciase45644.2019.9074094

LI B ， ZHANG Y ， WANG L P ， et al . Modeling for CNC machine tool thermal error based on genetic algorithm optimization wavelet neural networks ［J］. Journal of Mechanical Engineering ， 2019 ， 55 （ 21 ）： 215 - 220 . （in Chinese） . doi: 10.1109/iciase45644.2019.9074094 http://dx.doi.org/10.1109/iciase45644.2019.9074094

LI Q ， LI H L . A general method for thermal error measurement and modeling in CNC machine tools’ spindle ［J］. The International Journal of Advanced Manufacturing Technology ， 2019 ， 103 （ 5/6/7/8 ）： 2739 - 2749 . doi: 10.1007/s00170-019-03665-7 http://dx.doi.org/10.1007/s00170-019-03665-7

张恩忠，程亚平，齐月玲，等 . 基于最小二乘支持向量机的精密数控机床热误差建模与补偿研究［J］. 机床与液压， 2018 ， 46 （ 20 ）： 7 - 10 . doi: 10.3969/j.issn.1001-3881.2018.20.002 http://dx.doi.org/10.3969/j.issn.1001-3881.2018.20.002

ZHANG E ZH ， CHENG Y P ， QI Y L ， et al . Thermal error modeling and compensation for precision CNC machine tool based on least square support vector machine ［J］. Machine Tool & Hydraulics ， 2018 ， 46 （ 20 ）： 7 - 10 . （in Chinese） . doi: 10.3969/j.issn.1001-3881.2018.20.002 http://dx.doi.org/10.3969/j.issn.1001-3881.2018.20.002

苗恩铭，刘义，董云飞，等 . 数控机床热误差时间序列模型预测稳健性的提升［J］. 光学精密工程， 2016 ， 24 （ 10 ）： 2480 - 2489 . doi: 10.3788/OPE.20162410.2480 http://dx.doi.org/10.3788/OPE.20162410.2480

MIAO E M ， LIU Y ， DONG Y F ， et al . Improvement of forecasting robustness of time series model for thermal error on CNC machine tool ［J］. Opt. Precision Eng. ， 2016 ， 24 （ 10 ）： 2480 - 2489 . （in Chinese） . doi: 10.3788/OPE.20162410.2480 http://dx.doi.org/10.3788/OPE.20162410.2480

张永宏，黄贤存，孙帅，等 . 基于时序算法的主轴轴向热误差建模与应用［J］. 制造技术与机床， 2018 （ 5 ）： 70 - 73 . doi: 10.19287/j.cnki.1005-2402.2018.05.010 http://dx.doi.org/10.19287/j.cnki.1005-2402.2018.05.010

ZHANG Y H ， HUANG X C ， SUN SH ， et al . Application to the axial thermal error of spindle modeling based on the time series method ［J］. Manufacturing Technology & Machine Tool ， 2018 （ 5 ）： 70 - 73 . （in Chinese） . doi: 10.19287/j.cnki.1005-2402.2018.05.010 http://dx.doi.org/10.19287/j.cnki.1005-2402.2018.05.010

XIANG S T ， YAO X D ， DU Z C ， et al . Dynamic linearization modeling approach for spindle thermal errors of machine tools ［J］. Mechatronics ， 2018 ， 53 ： 215 - 228 . doi: 10.1016/j.mechatronics.2018.06.018 http://dx.doi.org/10.1016/j.mechatronics.2018.06.018

LIU H ， MIAO E M ， ZHUANG X D ， et al . Thermal error robust modeling method for CNC machine tools based on a split unbiased estimation algorithm ［J］. Precision Engineering ， 2018 ， 51 ： 169 - 175 . doi: 10.1016/j.precisioneng.2017.08.007 http://dx.doi.org/10.1016/j.precisioneng.2017.08.007

王刘影，陈秀梅 . 航空机匣加工中心热分析及热结构研究［J］. 组合机床与自动化加工技术， 2018 （ 1 ）： 39 - 42 . doi: 10.13462/j.cnki.mmtamt.2018.01.010 http://dx.doi.org/10.13462/j.cnki.mmtamt.2018.01.010

WANG L Y ， CHEN X M . Thermal characteristics of aircraft casing processing center under no-load operation ［J］. Modular Machine Tool & Automatic Manufacturing Technique ， 2018 （ 1 ）： 39 - 42 . （in Chinese） . doi: 10.13462/j.cnki.mmtamt.2018.01.010 http://dx.doi.org/10.13462/j.cnki.mmtamt.2018.01.010

李逢春，王海同，李铁民 . 重型数控机床热误差建模及预测方法的研究［J］. 机械工程学报， 2016 ， 52 （ 11 ）： 154 - 160 . doi: 10.3901/jme.2016.11.154 http://dx.doi.org/10.3901/jme.2016.11.154

LI F CH ， WANG H T ， LI T M . Research on thermal error modeling and prediction of heavy CNC machine tools ［J］. Journal of Mechanical Engineering ， 2016 ， 52 （ 11 ）： 154 - 160 . （in Chinese） . doi: 10.3901/jme.2016.11.154 http://dx.doi.org/10.3901/jme.2016.11.154

罗勇，邵珠峰，王立平，等 . NL201HA数控卧式车床X轴热误差建模及补偿［J］. 清华大学学报（自然科学版）， 2021 ， 61 （ 1 ）： 28 - 35 .

LUO Y ， SHAO ZH F ， WANG L P ， et al . X-axis thermal error modeling and compensation for an NL201HA CNC horizontal lathe ［J］. Journal of Tsinghua University （Science and Technology）， 2021 ， 61 （ 1 ）： 28 - 35 . （in Chinese）

张伟，叶文华 . 基于灰色关联和模糊聚类的机床温度测点优化［J］. 中国机械工程， 2014 ， 25 （ 4 ）： 456 - 460 . doi: 10.3969/j.issn.1004-132X.2014.04.006 http://dx.doi.org/10.3969/j.issn.1004-132X.2014.04.006

ZHANG W ， YE W H . Optimization of temperature measuring points for machine tools based on grey correlation and fuzzy clustering analysis ［J］. China Mechanical Engineering ， 2014 ， 25 （ 4 ）： 456 - 460 . （in Chinese） . doi: 10.3969/j.issn.1004-132X.2014.04.006 http://dx.doi.org/10.3969/j.issn.1004-132X.2014.04.006

CHENG Q ， QI Z ， ZHANG G J ， et al . Robust modelling and prediction of thermally induced positional error based on grey rough set theory and neural networks ［J］. The International Journal of Advanced Manufacturing Technology ， 2016 ， 83 （ 5/6/7/8 ）： 753 - 764 . doi: 10.1007/s00170-015-7556-6 http://dx.doi.org/10.1007/s00170-015-7556-6

ZHANG T ， YE W H ， SHAN Y C . Application of sliced inverse regression with fuzzy clustering for thermal error modeling of CNC machine tool ［J］. The International Journal of Advanced Manufacturing Technology ， 2016 ， 85 （ 9/10/11/12 ）： 2761 - 2771 . doi: 10.1007/s00170-015-8135-6 http://dx.doi.org/10.1007/s00170-015-8135-6

TAN F ， DENG C Y ， XIAO H ， et al . A wrapper approach-based key temperature point selection and thermal error modeling method ［J］. The International Journal of Advanced Manufacturing Technology ， 2020 ， 106 （ 3/4 ）： 907 - 920 . doi: 10.1007/s00170-019-04647-5 http://dx.doi.org/10.1007/s00170-019-04647-5

FU G Q ， TAO C ， XIE Y P ， et al . Temperature-sensitive point selection for thermal error modeling of machine tool spindle by considering heat source regions ［J］. The International Journal of Advanced Manufacturing Technology ， 2021 ， 112 （ 9/10 ）： 2447 - 2460 . doi: 10.1007/s00170-020-06417-0 http://dx.doi.org/10.1007/s00170-020-06417-0

MIAO E M ， LIU Y ， LIU H ， et al . Study on the effects of changes in temperature-sensitive points on thermal error compensation model for CNC machine tool ［J］. International Journal of Machine Tools and Manufacture ， 2015 ， 97 ： 50 - 59 . doi: 10.1016/j.ijmachtools.2015.07.004 http://dx.doi.org/10.1016/j.ijmachtools.2015.07.004

司守奎，孙玺菁 . 数学建模算法与应用［M］. 北京：国防工业出版社， 2011 . doi: 10.1109/icmss.2011.5999208 http://dx.doi.org/10.1109/icmss.2011.5999208

SI SH K ， SUN X J . Mathematical Modeling ［M］. Beijing ： National Defense Industry Press ， 2011 . （in Chinese） . doi: 10.1109/icmss.2011.5999208 http://dx.doi.org/10.1109/icmss.2011.5999208

LIU H ， MIAO E M ， WEI X Y ， et al . Robust modeling method for thermal error of CNC machine tools based on ridge regression algorithm ［J］. International Journal of Machine Tools and Manufacture ， 2017 ， 113 ： 35 - 48 . doi: 10.1016/j.ijmachtools.2016.11.001 http://dx.doi.org/10.1016/j.ijmachtools.2016.11.001

FAN L T ， JING X R ， CHEN J K ， et al . Research on thermal deformation modeling of high speed motorized spindle based on PLS ［C］. 2018 Chinese Control and Decision Conference （CCDC）. 911，2018 ， Shenyang， China. IEEE ， 2018 ： 4247 - 4252 . doi: 10.1109/ccdc.2018.8407862 http://dx.doi.org/10.1109/ccdc.2018.8407862

IS0 230-3：2020. Test Code for Machine Tools-Part 3： Determination of Thermal Effects ［S］. Switzerland ： TC 39 ， 2020 . doi: 10.3403/02222998u http://dx.doi.org/10.3403/02222998u

庄鑫栋 . 数控机床热误差补偿测控系统研究［D］. 合肥：合肥工业大学， 2018 .

ZHUANG X D . Research on Thermal Error Compensation Measurement and Control System of CNC Machine Tools ［D］. Hefei ： Hefei University of Technology ， 2018 . （in Chinese）

浏览量

1236

下载量

CSCD

文章被引用时，请邮件提醒。

提交

工具集

关联资源

暂无数据