[发明专利]基于无味卡尔曼滤波算法的机床主轴热误差快速辨识方法

说明书

本发明公开了基于无味卡尔曼滤波算法的机床主轴热误差快速辨识方法，其包括建立指数形式的机床主轴热误差模型；基于机床主轴热误差模型，建立无味卡尔曼滤波算法的状态方程；将状态方程的参数作为输入，基于奇异值矩阵构造无味卡尔曼滤波算法的状态向量点集；获取热误差预测值，对热误差预测值进行自适应调整；获取热误差实际测量值，并结合调整后的热误差预测值进行平均绝对百分比误差计算；对热误差实际测量值和热误差预测值进行均方根误差计算；计算机床主轴三个方向的辨识时间，选择三个辨识时间中的最大值统一作为三个方向的辨识时间，得到统一辨识时间，实现热误差辨识。本发明实现了机床主轴的热误差快速辨识。

技术领域

本发明涉及数控机床热误差辨识领域，具体涉及基于无味卡尔曼滤波算法的机床主轴热误差快速辨识方法。

背景技术

机床热误差是影响机床加工精度的主要误差源之一。热平衡是减少热误差影响，保障机床加工精度的常用方法。然而，机床的热平衡是一个相对缓慢的过程。合理控制这一过程，减少机床达到热平衡的时间，提高机床的工作效率，是精密机床制造业迫切需要解决的问题。机床主轴热误差的快速辨识是缩短热平衡时间的基础，是精度提升的先决必备条件之一。

现有方法在辨识主轴热误差时在快速性和简洁性上有待进一步提高。实际中大多采用遗传神经网络、灰色理论、聚类模糊、线性回归等方法建立热误差模型，这些模型需要大量的热误差测量数据，并要进行复杂的训练。整个过程需要大量的计算才能获得后续的热误差，往往热误差模型的训练时间占到总体辨识时间的一半以上。因此开展机床主轴热误差快速辨识方法的研究能够加快缩短机床热平衡时间的研究步伐。

发明内容

针对现有技术中的上述不足，本发明提供的基于无味卡尔曼滤波算法的机床主轴热误差快速辨识方法解决了现有技术热误差辨识时间长的问题。

为了达到上述发明目的，本发明采用的技术方案为：

提供一种基于无味卡尔曼滤波算法的机床主轴热误差快速辨识方法，其包括以下步骤：

S1、建立指数形式的机床主轴热误差模型；

S2、基于机床主轴热误差模型，建立无味卡尔曼滤波算法的状态方程；

S3、将状态方程中上一时刻的参数作为输入，基于奇异值矩阵构造无味卡尔曼滤波算法的状态向量点集；

S4、将状态向量点集输入标准无味卡尔曼滤波算法，得到热误差预测值；

S5、对热误差预测值进行自适应调整；

S6、获取热误差实际测量值，并结合调整后的热误差预测值进行平均绝对百分比误差计算，得到延时时刻；

S7、基于延时时刻对热误差实际测量值和热误差预测值进行均方根误差计算，分别得到机床主轴三个方向的辨识时间；

S8、选择三个辨识时间中的最大值统一作为三个方向的辨识时间，得到统一辨识时间，实现热误差辨识。

进一步地，步骤S2中建立无味卡尔曼滤波算法的状态方程的具体方法为：

根据公式：

建立无味卡尔曼滤波算法的状态方程；其中x_i,t为t时刻第i个点的状态向量，w_i,t-1为t-1时刻第i个点的过程噪声，δ_t-1为t-1时刻第i个点的热误差，α_s为材料的热膨胀系数，D为与材料的物理性质和初始温度相关的常数，e为自然对数，β为待定系数。

进一步地，步骤S3中构造无味卡尔曼滤波算法的状态向量点集的具体方法为：

根据公式：