一種基于蟻群神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的機(jī)床熱誤差建模方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種精密加工技術(shù)領(lǐng)域中的數(shù)據(jù)處理方法，具體是一種基于蟻群神經(jīng) 網(wǎng)絡(luò)的機(jī)床熱誤差建模方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 大量研究表明，熱誤差是機(jī)床的最大誤差源，占整個(gè)機(jī)床誤差的40%~70%。滾 齒機(jī)長時(shí)間工作后，產(chǎn)生的熱量對(duì)其加工精度影響很大，隨著切削速度的提高和切削功 率的增大，由熱變形引起的誤差更是嚴(yán)重影響了齒輪加工精度。隨著現(xiàn)代制造技術(shù)的不斷 發(fā)展，通過控制主要熱源或改變滾齒機(jī)結(jié)構(gòu)來消除其熱變形效果已不明顯，而對(duì)滾齒加工 實(shí)施熱誤差補(bǔ)償正以較低的制造成本和顯著的經(jīng)濟(jì)效益，得到迅速發(fā)展。
[0003] 滾齒機(jī)在工作過程中是一個(gè)復(fù)雜的熱態(tài)系統(tǒng)，周圍環(huán)境、冷卻液、加工周期、液壓 系統(tǒng)及各種摩擦都影響了其熱變形，熱誤差具有非線性、交互性和耦合性，精確有效地建立 熱誤差數(shù)學(xué)模型是實(shí)施熱誤差補(bǔ)償?shù)碾y點(diǎn)之一。由于滾齒機(jī)熱變形影響因素眾多，具有非 統(tǒng)計(jì)性與不可預(yù)測性，屬于典型的非線性系統(tǒng)。BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)因其結(jié)構(gòu)簡單、可靠性高、適于 處理復(fù)雜非線性問題的優(yōu)點(diǎn)在熱變形預(yù)測領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用，但BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)易于陷入 局部極小值，同時(shí)需要大量學(xué)習(xí)時(shí)間。
[0004] 為提高滾齒機(jī)床的加工精度，本發(fā)明以Y3150K型滾齒機(jī)的熱誤差作為研究對(duì)象， 建立綜合反映溫度變量與位移變量關(guān)系的最優(yōu)熱誤差模型，為提高滾齒機(jī)床加工精度提供 理論依據(jù)，具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明的目的在于在BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的權(quán)值訓(xùn)練過程中引入了一種新的隨機(jī)型全局 搜索算法--蟻群算法，利用這種源于自然界的新型仿生學(xué)算法，吸收蟻群的行為特征，通 過其內(nèi)在搜索機(jī)制，優(yōu)化神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)過程中權(quán)值。解決了目前BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)主要采用梯度 下降法對(duì)連接權(quán)值進(jìn)行訓(xùn)練，收斂時(shí)間長、易于陷入局部極值等難題，增強(qiáng)了模型的預(yù)測能 力和熱誤差逼近能力，提高了熱誤差補(bǔ)償?shù)男?，為其它類型機(jī)床的熱誤差建模提供了有 益參考。
[0006] 本發(fā)明是通過以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的，本發(fā)明具體包括以下內(nèi)容：（1)滾齒機(jī)熱誤 差源分析；（2)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型的建立；（3)應(yīng)用蟻群算法對(duì)網(wǎng)絡(luò)權(quán)值進(jìn)行訓(xùn)練；（4)熱誤差 補(bǔ)償實(shí)驗(yàn)。
[0007] 本發(fā)明所述的滾齒機(jī)熱誤差源分析，可以通過以下步驟實(shí)現(xiàn)：（1)Y3150K型滾齒 機(jī)床加工時(shí)的主要熱源，主要包括以下幾個(gè)方面：1)切削熱。滾齒加工過程中，刀具與工 件之間由于摩擦、金屬的彈塑性變形及切削力所做的功都會(huì)產(chǎn)生大量的熱，這些切削熱最 終進(jìn)入切屑或周圍環(huán)境，并進(jìn)一步經(jīng)傳導(dǎo)、輻射等方式傳遞到機(jī)床的各零部件中，引起熱變 形；2)摩擦產(chǎn)生的熱。由于滾齒加工過程中切削力較大，各軸承、導(dǎo)軌及油封之間都會(huì)因摩 擦產(chǎn)生大量的熱；3)各電機(jī)由于電能轉(zhuǎn)換產(chǎn)生的熱。如主軸電機(jī)、各軸的進(jìn)給電機(jī)、工作臺(tái) 的旋轉(zhuǎn)電機(jī)等，這些電機(jī)在加工過程中不斷消耗電能，而這些電能最終都轉(zhuǎn)換成了熱量傳 入機(jī)床各零部件中；4)周圍環(huán)境。隨齒輪加工精度要求的日益提高，環(huán)境溫度對(duì)齒輪加工精 度的影響逐漸增強(qiáng)。由于很多地方晝夜、季節(jié)之間的溫差較大，恒溫加工已勢在必行；5)其 它因素。如冷卻液、液壓系統(tǒng)、其它熱源的熱輻射等等。所有這些都引起了滾齒機(jī)機(jī)床零部 件的熱變形，進(jìn)而影響了齒輪加工精度。（2 )利用溫度傳感器對(duì)熱誤差源信號(hào)進(jìn)行檢測，并 對(duì)溫度信號(hào)進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換；利用位移傳感器對(duì)滾刀和工件主軸在徑向的熱變形誤差進(jìn)行檢 測，并對(duì)位移信號(hào)進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換；（3)將床身和立柱分別按梁和懸臂梁進(jìn)行分析，床身和兩 側(cè)立柱受熱后會(huì)產(chǎn)生圖5所示的彎曲變形，熱變形改變了滾齒機(jī)上刀具與工件間的相對(duì)位 置關(guān)系，引起加工誤差。設(shè)床身、立柱、小立柱的膨脹系數(shù)分別為，床身上下表面、 立柱與小立柱內(nèi)外側(cè)溫差分別為Ail、、1%，尺寸如圖5所示，則滾刀與工件之間由于熱 變形影響產(chǎn)生的位移偏差為
[0008] 本發(fā)明所述的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型的建立，是指：根據(jù)滾齒機(jī)上溫度傳感器與位移傳感 器的安裝數(shù)目，采用三層BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對(duì)溫度變量進(jìn)行信息融合，該網(wǎng)絡(luò)主要由輸入層、隱 含層和輸出層組成，其中輸入層代表引起滾齒機(jī)床熱變形誤差的溫度變量，輸出層代表滾 刀與工件主軸的徑向位移。
[0009] 本發(fā)明所述的基于蟻群算法的網(wǎng)絡(luò)權(quán)值訓(xùn)練，可以通過以下步驟實(shí)現(xiàn)：（1)假設(shè) 蟻群中有20只螞蟻，將其放在不同的輸入節(jié)點(diǎn)上，并為每條路徑賦外激素初值。（2)選取一 個(gè)元素作為連接權(quán)值；（3)螞蟻完成元素選擇，修改其外激素值；（4)外激素濃度達(dá)到一定 值，得到優(yōu)化的連接權(quán)值，否則返回（2)繼續(xù)尋優(yōu)。
[0010] 本發(fā)明所述的熱誤差補(bǔ)償實(shí)驗(yàn)，是指：將熱源的溫度值及熱變形誤差信號(hào)經(jīng)過信 號(hào)處理單元后經(jīng)串口送入PC，基于蟻群算法建立優(yōu)化的滾齒機(jī)熱誤差神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型，將模 型嵌入DSP，進(jìn)而獲得補(bǔ)償值，并經(jīng)并口送入機(jī)床數(shù)控系統(tǒng)，完成熱誤差補(bǔ)償過程，最后應(yīng)用 3種模型分別對(duì)滾刀主軸與工件主軸的徑向熱變形誤差進(jìn)行預(yù)測分析，驗(yàn)證模型預(yù)測性能。
[0011] 本發(fā)明與現(xiàn)有機(jī)床誤差建模技術(shù)相比顯著效果在于：綜合分析了滾齒機(jī)的主要熱 源，在利用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型的預(yù)測精度較高的基礎(chǔ)之上，有效克服了其算法存在的固有缺 陷，提高了模型的預(yù)測能力。
[0012] 本發(fā)明針對(duì)滾齒機(jī)熱誤差建模的實(shí)際需要，根據(jù)熱誤差補(bǔ)償技術(shù)中的核心問題， 建立滾齒機(jī)床熱誤差的蟻群神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型，具有熱誤差逼近能力強(qiáng)、預(yù)測精度高、魯棒性強(qiáng) 的優(yōu)點(diǎn)，有效地控制滾齒機(jī)主軸熱變形。本發(fā)明使用先進(jìn)的智能算法，為滾齒機(jī)熱誤差補(bǔ)償 的實(shí)施及齒輪加工精度的提高提供理論依據(jù)。
【附圖說明】
[0013] 附圖1是本發(fā)明的技術(shù)流程圖； 附圖2是本實(shí)施例的實(shí)施方案； 附圖3是本實(shí)施例的3種模型的熱誤差逼近曲線； 附圖4是本實(shí)施例補(bǔ)償后3種模型的熱誤差曲線； 附圖5是本實(shí)施例的熱變形TK意圖； 附圖6是本實(shí)施例的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。
【具體實(shí)施方式】
[0014] 以下結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的技術(shù)方案作進(jìn)一步描述。
[0015] 本發(fā)明的技術(shù)流程圖如圖1所示，分析加工時(shí)滾齒機(jī)的主要發(fā)熱源，以及熱變形 對(duì)齒輪加工精度的影響，以測得的溫度信號(hào)作為模型輸入層、熱變形誤差作為模型輸出層