梁蔭娟

（佛山市順德區(qū)質(zhì)量技術(shù)監(jiān)督檢測所，廣東 佛山 528000）

1 熱誤差來源分析

隨著機加工技術(shù)的提高，機床結(jié)構(gòu)、切削力誤差得到了妥善處理，但直接影響加工精度的熱變形誤差卻一直沒有得到改善[1-2]。傳統(tǒng)的機床熱誤差補償在實際應(yīng)用過程中具有一定的局限性，原因是過度依賴有線溫度檢測技術(shù)[3-4]。該文設(shè)計了基于無線傳輸技術(shù)的溫度檢測系統(tǒng)，該系統(tǒng)克服了有線檢測系統(tǒng)的局限性，在確保數(shù)據(jù)獲取可靠性的前提下提高了熱變形誤差實時補償速度。

數(shù)控機床的組成材料為金屬材料，由于材料具有熱脹冷縮性，因此在機床正常工作的過程中，受到切削熱和運動部件摩擦產(chǎn)生的摩擦熱及外部熱源的影響，工藝系統(tǒng)會產(chǎn)生變形，該變形即為熱變形，由此產(chǎn)生的誤差為熱誤差[5]。機床熱源可分為由自身組件運動摩擦產(chǎn)生的摩擦熱及切削熱等內(nèi)部熱源和環(huán)境溫度等外部熱源[6]。

數(shù)控機床熱變形可視為一系列熱變形的疊加，最終成為熱變形模態(tài)。現(xiàn)階段各國學者將目光聚焦于機床誤差，通過廣泛且深入地探討與研究提出了很多可行的精度改善方法，例如消除誤差、誤差補償?shù)取?/p>

2 溫度無線檢測系統(tǒng)設(shè)計

該文提出的這套系統(tǒng)由硬件層、應(yīng)用軟件層及操作系統(tǒng)層組成，其整體結(jié)構(gòu)設(shè)計如圖1所示。硬件層包括電源、溫度傳感器、串口通信模塊及無線頻射模塊，通過外圍電路設(shè)計有機地整合了硬件層的4個部分；操作系統(tǒng)層主要完成無線節(jié)點端、PC端對任務(wù)、內(nèi)存及設(shè)備接口等系統(tǒng)設(shè)備的控制；應(yīng)用軟件層實現(xiàn)測定溫度、數(shù)據(jù)無線傳輸、處理、顯示等應(yīng)用軟件設(shè)計。

無線溫度傳感器為溫度無線監(jiān)測系統(tǒng)的核心組成部分，其集成溫度信息采集、低功耗和無線通信等技術(shù)于一體，避免了使用過程中的線路鋪設(shè)，簡化了系統(tǒng)硬件連接。無線溫度傳感器的數(shù)據(jù)傳輸包括433 MHz、Wi-Fi和ZigBee等方式，Wi-Fi和ZigBee傳輸方式的傳輸速率較低，難以滿足文中系統(tǒng)需要的誤差實時補償?shù)目焖夙憫?yīng)需求，經(jīng)過綜合考慮后該文選取433 MHz無線溫度傳感器傳輸數(shù)據(jù)，傳感器的具體布設(shè)如圖2所示，布設(shè)位置及作用見表1。

表1 溫度傳感器布設(shè)位置及作用

3 熱誤差建模及智能補償

3.1 基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的熱誤差建模

神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)通過大量神經(jīng)元的互連對事物功能進行處理，側(cè)重于解決非線性問題且對樣本分布沒有特殊要求，僅要求樣本完整而全面并具備自學和并行處理等能力。當神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)建模時，將捕捉到的數(shù)據(jù)導(dǎo)入神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型并按照特定原則和要求訓(xùn)練這些數(shù)據(jù)，當獲得適合的閾值和權(quán)值時即可獲得符合實際情況的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型，進而將該模型應(yīng)用于數(shù)控機床的誤差補償[7]。

數(shù)控機床的Y軸誤差補償模型如圖3所示。根據(jù)實際經(jīng)驗可知，導(dǎo)致機床加工誤差的溫度主要來自右十字滑座、上軸承機體和電機外殼，考慮到這些因素，采用了較為經(jīng)典的三層神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。其中，輸入層包括A1～A44個神經(jīng)單元，分別為電機外殼、上軸承座、右十字滑座溫度及位移量，中間層及輸出層則只擁有一個神經(jīng)元。

圖3中，位移量A4為刀具初始時刻與當前時刻之間距離，A4=0、10、20、......、1000，各個數(shù)值之間量綱不同，須對輸入網(wǎng)絡(luò)之前的數(shù)據(jù)進行歸一化處理，如公式（1）所示。見表2。

表2 歸一化表

通過神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進行熱誤差補償?shù)倪^程如下：當?shù)毒咭苿又僚c初始時刻位置距離分別為A4=0,10,20,…,1000時，配裝在機床上的溫度傳感器則自動完成三處溫度值采集處理[8]，將這些數(shù)據(jù)導(dǎo)入網(wǎng)絡(luò)進行計算分析，隱含層各節(jié)點輸入如公式（2）所示。

式中：Wij為輸入層到隱含層權(quán)值。

隱含層節(jié)點輸出如公式（3）所示。

輸出層輸出如公式（4）所示。

式中：Vrs為隱含層到輸出層取值。

反歸一化處理輸出節(jié)點值，如公式（5）所示。

機床熱誤差補償值取為a的相反數(shù)-a。輸入節(jié)點i分別取值1、2、3、4，隱含層節(jié)點j分別取值1、2、3、4、5、6，輸入層到隱含層權(quán)值為Wij。同理，隱含層節(jié)點r分別取值1、2、3、4、5、6，輸出層節(jié)點s取1，隱含層與輸入層閾值分別用b、c進行表示。

3.2 基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型的仿真分析

以成熟、完善的粗糙集理論為載體，在數(shù)據(jù)預(yù)處理之后借助MATLAB7.0工具完成仿真分析[9]。經(jīng)過多方面考慮后采用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。在學習階段，通過輸入端將處理后的樣本置于模型中進行強化訓(xùn)練，設(shè)定目標函數(shù)、學習效率及迭代次數(shù)，其中將log-Sigmoid函數(shù)設(shè)定為隱含層神經(jīng)元變換函數(shù)，purelin型線性函數(shù)設(shè)定為最后輸出層變換函數(shù)。須注意的是神經(jīng)元的連接閾值及權(quán)值不是固定不變的，只要誤差符號及大小發(fā)生變動，其值也要隨之變化，直至輸出給定結(jié)果才能保證建立的模型與實際需求相符。BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)輸入/輸出映射曲線如圖4所示，BP網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練如圖5所示。

3.3 熱誤差補償仿真結(jié)果分析

基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建相適配模型并利用該模型完成仿真分析，分析結(jié)果發(fā)現(xiàn)，無論是期望輸出還是預(yù)測誤差均達到了理想控制要求。仿真結(jié)果證實，未進行BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型熱誤差補償時，加工誤差為-5 μm～27 μm，通過BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型的熱誤差補償，加工誤差為-5 μm～5 μm，數(shù)控機床的加工精度大幅提升。

BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的自調(diào)整功能非常強大，可針對不同加工誤差選取相適配的訓(xùn)練數(shù)據(jù)進行實時處理，從根源上保證了誤差模型構(gòu)建精度，該系統(tǒng)還有補償準確、快速和適用于所有數(shù)控機床的優(yōu)勢，可以看出采用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型進行熱誤差補償可以提高零件的加工精度。

3.4 熱誤差補償分析

通過仿真結(jié)果分析可進一步發(fā)現(xiàn)BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型具有多重功能優(yōu)勢，它不僅能將加工熱誤差降到最低，還能保證加工效率和制造精度。在該設(shè)計中建議用原點平移法進行實時補償，利用功能強大、操作便捷的可編程控制器優(yōu)化機床程序來減少熱誤差、改善加工精度。

實時補償器具有構(gòu)造簡單、布局規(guī)范的特點，文中通過修改數(shù)控機床控制程序可以獲得實時誤差補償控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)主要由3個模塊構(gòu)成，如圖6所示，分別為補償程序執(zhí)行及數(shù)控機床接口模塊、計算處理模塊還有數(shù)模轉(zhuǎn)換及傳感器模塊。

3.5 熱誤差實時補償執(zhí)行分析

S7-300PLC由于對外開放功能強大而備受認可，可以通過該功能重新設(shè)計BP補償模型并將其移植至數(shù)控系統(tǒng)中。機床熱誤差進行動態(tài)和實時檢測，利用模型確定補償值并對部分程序做出適當調(diào)整之后可以通過原點平移法實現(xiàn)熱誤差實時補償。

補償程序?qū)霐?shù)控機床后，經(jīng)現(xiàn)場試驗發(fā)現(xiàn)，在誤差補償?shù)倪^程中加工精度提高約15 μm，基于原點平移法可以實現(xiàn)數(shù)控機床加工誤差的補償，該誤差補償方法具有實用性強、經(jīng)濟性好的特點，促進了數(shù)控機床加工制造的發(fā)展。

4 結(jié)論

該文分析了影響數(shù)控機床加工精度的最大因素熱誤差，經(jīng)過對運作原理和補償方法的深入探究，開發(fā)出了實施性更好的無線監(jiān)測系統(tǒng)并基于該系統(tǒng)采集了溫度值，根據(jù)采集數(shù)據(jù)，通過BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)建立熱誤差模型，實現(xiàn)熱變形誤差實時補償?；诜抡娣治?，對BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型在數(shù)控機床熱誤差補償中的可行性進行分析。該文系統(tǒng)避免了溫度有限檢測的局限性，確保了數(shù)據(jù)獲取的可靠性，提高了熱變形誤差實時補償?shù)乃俣?，促進了數(shù)控機床加工制造的發(fā)展。