专利类型 | 发明授权 | 法律事件 | 公开; 实质审查; 授权; |
专利有效性 | 有效专利 | 当前状态 | 授权 |
申请号 | CN202411818540.0 | 申请日 | 2024-12-11 |
公开(公告)号 | CN119270767B | 公开(公告)日 | 2025-03-14 |
申请人 | 浙江先端数控机床技术创新中心有限公司; | 申请人类型 | 企业 |
发明人 | 丁志宏; 王郑拓; 孙磊; 韩楠杰; 徐月同; | 第一发明人 | 丁志宏 |
权利人 | 浙江先端数控机床技术创新中心有限公司 | 权利人类型 | 企业 |
当前权利人 | 浙江先端数控机床技术创新中心有限公司 | 当前权利人类型 | 企业 |
省份 | 当前专利权人所在省份:浙江省 | 城市 | 当前专利权人所在城市:浙江省台州市 |
具体地址 | 当前专利权人所在详细地址:浙江省台州市温岭市东部新区金塘北路2号中小企业孵化园B区2号科研厂房二楼202室 | 邮编 | 当前专利权人邮编:317500 |
主IPC国际分类 | G05B19/404 | 所有IPC国际分类 | G05B19/404 |
专利引用数量 | 3 | 专利被引用数量 | 0 |
专利权利要求数量 | 3 | 专利文献类型 | B |
专利代理机构 | 台州腾脉知识产权代理有限公司 | 专利代理人 | 贾娜娜; |
摘要 | 本 发明 提供一种基于 深度学习 算法 的电 主轴 热误差超前预测方法,通过在电主轴表面设置多路 温度 传感器 和位移传感器,采集电主轴表面温度和电主轴末端位移数据,训练由时域卷积网络、 门 控循环网络以及全连接网络组成的热误差超前预测网络,实现电主轴的热误差超前预测。本发明采用热误差超前预测网络预测电主轴热误差的超前量,能够在误差发生前进行补偿,提高加工 精度 和电主轴的 稳定性 ,同时,热误差超前预测网络采用多路并联神经网络与全连接网络的设计,增强了模型的适应性和鲁棒性,为不同类型和规格的电主轴提供灵活的解决方案。 | ||
权利要求 | 1.一种基于深度学习算法的电主轴热误差超前预测方法,其特征在于:所述电主轴热误差超前预测方法包括以下步骤: |
||
说明书全文 | 一种基于深度学习算法的电主轴热误差超前预测方法技术领域背景技术[0002] 数控机床是工业加工的“工业母机”,是实现超高速精密加工的重要设备。高速精密电主轴作为数控机床上直接对加工工件进行加工的核心设备,其性能很大程度上影响着数控机床的加工精度。电主轴的热态特性是其在运行过程中由于电机发热、摩擦发热等因素引起的温度变化对性能的影响,这些特性对于电主轴的精度、稳定性和使用寿命至关重要。具体来说,电主轴的热态特性主要包括产热散热机理、温升情况、热变形情况等热学相关特性,在高速运转过程中,电主轴的产热源主要有两个:一是内置无壳电机的定转子因电磁损耗产生的热量;二是轴承在高速旋转时内部滚动体、轴承内外圈摩擦产生的热量。这些热量的产生会导致电主轴的温度升高,进而影响其精度和稳定性。 [0003] 为了有效控制电主轴的温度,通常采用水冷、风冷、油冷这三种冷却方式。水冷系统通过循环水带走热量,冷却效率高,适合高功率和高转速的电主轴;风冷系统利用风扇或自然风进行冷却,维护简单,但冷却效果相对较弱;油冷系统则通过循环油液进行冷却,具有良好的热传导性和稳定性,适用于高精度和高可靠性的加工环境。然而,在高速运转过程中,电主轴的产热往往会大于散热作用,导致电主轴因温升产生热误差,从而降低加工精度。 [0004] 为了提高加工精度,电主轴热误差的预测和补偿变得尤为重要。目前,通常通过建立温度数据与热误差之间的映射关系来计算电主轴的热误差。这种方法可以为误差补偿提供理论依据。但是,电主轴的误差补偿具有滞后性,为了更有效地进行误差补偿,需要对电主轴的温度进行时间上的超前预测。通过超前预测电主轴的热误差,可以提前采取措施进行反补偿,从而进一步提高加工精度和电主轴的使用寿命。这种超前预测和反补偿技术的研究和应用,对于提高电主轴的性能和加工质量具有重要意义。 发明内容[0005] 要解决的技术问题 [0007] 技术方案 [0008] 为解决所述技术问题,本发明提供如下技术方案:一种基于深度学习算法的电主轴热误差超前预测方法,电主轴热误差超前预测方法包括以下步骤:S1、在电主轴表面设置若干个温度传感器,在电主轴的主轴端设置用以检测轴向变形的位移传感器;S2、启动电主轴,采集 至 时刻电主轴的温度数据,采集 至 时刻电主轴的温度数据以及主轴端的轴向位移数据;且轴向位移数据采用霍尔特—温斯特季节性指数采集;S3、重复步骤S2若干次,获得相应数据;S4、使用步骤S3获得的相应数据训练热误差超前预测网络;S5、采集 至 时刻电主轴的温度数据,输入至热误差超前预测网络,获得至 时刻电主轴的预测热误差数据;S6、通过自适应在线更新模块,将 至 时刻的实际主轴端的轴向位移数据与 至 时刻 热误差超前预测网络的预测热误差数据进行对比,计算预测误差;根据预测误差利用增量式学习方法对热误差超前预测网络的参数在线微调,并通过滑动窗口机制限制数据更新范围;温度数据为时间相关的多维数据,数据维度与温度传感器数量一致,且一一对应;热误差超前预测网络与多路并联神经网络与单个全连接网络串联而成,多路并联神经网络中的神经网络数量与温度传感器数量相等的;多路并联神经网络中,每一路神经网络均接收一个温度传感器采集的 至 时刻温度数据,然后将处理结果输入至全连接网络,输出至 时刻电主轴的热误差预测值。 [0009] 在一些实施例中,多路并联神经网络,其中每一路神经网络由一个时域卷积网络、一个全连接网络以及一个门控循环单元网络依次串联而成。 [0010] 在一些实施例中,时域卷积网络与全连接网络组成温度超前预测模块,门控循环单元网络与后续连接的全连接网络组成热误差预测模块;热误差超前预测网络的训练步骤为:S401、定义 至 时刻电主轴的温度数据为训练数据,定义 至时刻电主轴的温度数据为标签数据,训练温度超前预测模块;S402、定义 至时刻电主轴的温度数据为训练数据,定义 至 时刻主轴端 的轴向位移数据为标签数据,训练热误差预测模块。 [0011] 在一些实施例中,关于步骤S6中的自适应在线更新模块的网络参数微调过程包括以下步骤:S601、测量 至 时刻电主轴的温度数据输入热误差超前预测网络,获得至 时刻电主轴的预测热误差数据,测量 至时刻的实际主轴端的轴向位移数据;S602、在 至 时间段内,通过滑 动窗口机制选取从 时刻向前追溯最近的 个数据点作为更新依据, ,对窗口内的每个点进计算预测误差 ; ,式中, 为第i个样本的模型预测结果, 为第i个样本的实际位移数据, 为阈值参数,为 ;S603、利用增量式学习方法更新热误差超前预测网络中的参数;S604、每间隔 评估更新后的热误差超前预测网络的预测精度,若当前模型参数预测的误差均值大于更新前的误差均值,则回滚到更新前的模型参数。 [0012] 在一些实施例中,自适应在线更新模块中的窗口大小 根据运行工况动态调整,调整规则为: , [0013] , ,式中, 、 和 分别对应为窗口最大值、最小值和初始窗口大小,、为调节因子,为滑动窗口内数据点的平均损失,为数据点的数目,为滑动窗口内预测误差的标准差。 [0014] 在一些实施例中,关于步骤S603的具体内容如下:使用滑动窗口内每个数据点的预测误差 ,计算模型参数的梯度 并动态更新学习率: ,式中, 表示模型参数,根据梯度 和学习率 ,对模型参数进行更新,采用梯度更新规则为:,通过动态学习率机制调节学习率 ,具体更新规则为: ,式中, 为初始学习率, 指根据历史数据统计得到 的基准误差值,通过以下式子计算: ; ,式中, 为学习率 动态调节系数, 为初始调整系数。 [0015] 有益效果 [0016] 相比于现有技术,本发明的优点在于:1、本发明利用深度学习技术特别是时域卷积网络和门控循环网络,实现对电主轴在运行过程中的温度变化和热误差的高精度预测,为加工过程中的实时误差补偿提供了强有力的数据支持。 [0017] 2、本发明采用深度学习技术超前预测电主轴的热误差,允许系统在误差发生之前采取措施进行补偿。这种前瞻性的误差管理策略显著提升了加工精度和电主轴的稳定性,减少了因温度变化导致的加工误差。 [0018] 3、本发明通过构建多路并联神经网络与全连接网络,能够同时处理来自多个温度传感器的数据,增强了模型对不同工作条件和环境变化的适应性和鲁棒性。这种设计不仅提高了系统的可靠性,也为不同类型和规格的电主轴提供了灵活的解决方案。 [0019] 4、本发明引入自适应在线更新模块,在电主轴工况和环境变化时,能够动态调整模型的参数,从而始终保持高精度的预测效果。通过实时数据驱动的在线微调和动态学习率机制,模型不仅在不同运行条件下具有出色的适应能力,还能有效减少误差,显著提高加工精度和系统稳定性。附图说明 [0020] 为了更清楚地说明本申请实施例的技术方案,下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍,显而易见地,下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例,对于本领域普通技术人员来讲,在不付出创造性劳动的前提下,还可以根据这些附图获得其它的附图。 [0021] 图1为本发明的热误差超前预测网络架构图; [0022] 图2为本发明的自适应在线更新模块流程图。 具体实施方式[0023] 下面结合附图和具体实施例对本申请进行详细描述。 [0024] 以下通过特定的具体实例说明本申请的实施方式,本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本申请的其他优点与功效。显然,所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例,而不是全部的实施例。本申请还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用,本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用,在没有背离本申请的精神下进行各种修饰或改变。需说明的是,在不冲突的情况下,以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。基于本申请中的实施例,本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例,都属于本申请保护的范围。 [0025] 要说明的是,下文描述在所附权利要求书的范围内的实施例的各种方面。应显而易见,本文中所描述的方面可体现于广泛多种形式中,且本文中所描述的任何特定结构及/或功能仅为说明性的。基于本申请,所属领域的技术人员应了解,本文中所描述的一个方面可与任何其它方面独立地实施,且可以各种方式组合这些方面中的两者或两者以上。举例来说,可使用本文中所阐述的任何数目和方面来实施设备及/或实践方法。另外,可使用除了本文中所阐述的方面中的一或多者之外的其它结构及/或功能性实施此设备及/或实践此方法。 [0026] 还需要说明的是,以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本申请的基本构想,图示中仅显示与本申请中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制,其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变,且其组件布局型态也可能更为复杂。 [0027] 另外,在以下描述中,提供具体细节是为了便于透彻理解实例。然而,所属领域的技术人员将理解,可在没有这些特定细节的情况下实践。 [0028] 以下结合附图,说明本申请各实施例提供的技术方案。 [0029] 请参阅图1‑2示,在本实施方案中:一种基于深度学习算法的电主轴热误差超前预测方法,电主轴热误差超前预测方法包括以下步骤: [0030] S1、在电主轴表面设置若干个温度传感器(数量≥2),在电主轴的主轴端设置用以检测轴向变形的位移传感器; [0031] S2、启动电主轴,采集 至 时刻电主轴的温度数据,采集 至时刻电主轴的温度数据以及主轴端的轴向位移数据;且轴向位移数据采用霍尔特—温斯特季节性指数采集; [0032] S3、重复步骤S2若干次,获得多组相应数据; [0033] S4、使用步骤S3获得的相应数据训练热误差超前预测网络; [0034] S5、采集 至 时刻电主轴的温度数据,输入至热误差超前预测网络,获得至 时刻电主轴的预测热误差数据; [0035] S6、通过自适应在线更新模块,将 至 时刻的实际主轴端的轴向位移数据与 至 时刻热误差超前预测网络的预测热误差数据进行对 比,计算预测误差;根据预测误差利用增量式学习方法对热误差超前预测网络的参数在线微调,并通过滑动窗口机制限制数据更新范围。 [0036] 温度数据为时间相关的多维数据,数据维度与温度传感器数量一致,且一一对应;热误差超前预测网络与多路并联神经网络与单个全连接网络串联而成,多路并联神经网络中的神经网络数量与温度传感器数量相等的;多路并联神经网络中,每一路神经网络均接收一个温度传感器采集的 至 时刻温度数据,然后将处理结果输入至全连接网络,输出 至 时刻电主轴的热误差预测值。 [0037] 在一些实施例中,多路并联神经网络,其中每一路神经网络由一个时域卷积网络、一个全连接网络以及一个门控循环单元网络依次串联而成,时域卷积网络与全连接网络组成温度超前预测模块,门控循环单元网络与后续连接的全连接网络组成热误差预测模块;热误差超前预测网络的训练步骤为: [0038] S401、定义 至 时刻电主轴的温度数据为训练数据,定义 至时刻电主轴的温度数据为标签数据,训练温度超前预测模块; [0039] S402、定义 至 时刻电主轴的温度数据为训练数据,定义至 时刻主轴端的轴向位移数据为标签数据,训练热误差预测模块。 [0040] 在一些实施例中,关于步骤S6中的自适应在线更新模块的网络参数微调过程包括以下步骤: [0041] S601、测量 至 时刻电主轴的温度数据输入热误差超前预测网络,获得至 时刻电主轴的预测热误差数据,测量 至时刻的实际主轴端的轴向位移数据; [0042] S602、在 至 时间段内,通过滑动窗口机制选取从时刻向前追溯最近的 个数据点作为更新依据, ,对窗口内的每个 点进计算预测误差 ; ,式中, 为第i个 样本的模型预测结果, 为第i个样本的实际位移数据, 为阈值参数,为;自适应在线更新模块中的窗口大小 根据运行工况动态调整,调整规 则为: , , ,式中, 、 和 为窗口最大值、最小值和初始窗口大 小, 、 为调节因子, 为滑动窗口内数据点的平均损失, 为数据点的数目, 为滑动窗口内预测误差的标准差; [0043] 需要指出的是:W数据点数量为窗口大小,数据点单位数量组成窗口大小。 [0044] S603、利用增量式学习方法更新热误差超前预测网络中的参数,使用滑动窗口内每个数据点的预测误差 ,计算模型参数的梯度 并动态更新学习率: ,式中,表示模型参数,根据梯度 和学习率 ,对模型参数进行更新,采用梯度更新规则为: ,通过动态学习率机制调节学习率 ,具体更新规则为:,式中, 为初始学习率, 指根据历史数据统计得到 的基准误差值,通过以下式子计算: ; ,式中, 为学习率 动态调节系数, 为初始调整系数,默认设置为1.0; [0045] S604、每间隔 评估更新后的热误差超前预测网络的预测精度,若当前模型参数预测的误差均值大于更新前的误差均值,则回滚到更新前的模型参数。 [0046] 具体的工作流程: [0047] A1、构建电主轴温度测点最优组合方法,选取共线性最低、准确性最高的最佳测点组合,依据最佳测点组合在电主轴外壳表面设置3个PT100型热电阻温度传感器,用以检测电主轴外壳温度;在电主轴末端设置CPL230‑C8电容式位移传感器,用以检测电主轴轴向位移; [0048] A2、建立热误差超前预测网络,该网络由三路并联的神经网络与最后串联的全连接网络组成;这三路并联的神经网络中,每一路的输入数据为1个PT100型热电阻温度传感器的温度采集数据;最后串联的全连接网络的输出数据为超前预测的电主轴热误差数据;这三路并联的神经网络中,每一路神经网络由一个时域卷积网络、一个全连接网络以及一个门控循环单元网络依次串联而成;其中,时域卷积网络与全连接网络组成温度超前预测模块,门控循环单元网络与后续连接的全连接网络组成热误差预测模块; [0049] A3、启动电主轴,设定电主轴的转速为12000rpm; [0050] A4、间隔5秒采集一次电主轴的温度数据以及电主轴的末端位移数据,累计采集180分钟,获得2160组数据;采用霍尔特—温斯特季节性指数平滑采集到的电主轴末端位移数据; [0051] A5、将采集到的数据按时间顺序均分成18份,每份包含120组数据;对于每一份数据,取前60组温度数据为训练数据,后60组温度数据为标签数据;训练温度超前预测模块,设置温度超前预测模块的关键参数为:学习率为0.0001,迭代次数为100,损失函数为均方误差(MSE),膨胀系数为2,卷积核大小为3; [0052] A6、将采集到的数据按时间顺序均分成36份,每份包含60组数据;取电主轴的温度数据为训练数据,电主轴的末端位移数据为标签数据,训练热误差预测模块;设置热误差预测模块的关键参数为:学习率为0.0001,迭代次数为100,损失函数为均方误差(MSE); [0053] A7、按需设定电主轴的转速(可以是9000rpm、15000rpm以及18000rpm),间隔5秒采集一次热电阻温度传感器的温度值,累计获得60组温度数据后,输入到热误差超前预测网络,预测电主轴的热误差。 [0054] A8、通过自适应在线更新模块,将实时采集到的温度数据及电主轴末端位移数据与预测结果进行对比,计算预测误差;利用增量式学习方法对热误差超前预测网络中的参数进行微调,具体调整包括动态调整学习率和限制更新范围,仅基于最近时间窗口内的数据进行参数更新。 [0055] A9、根据超前预测和自适应在线更新模块优化后的热误差结果,实时调整电主轴运行参数,实现电主轴热误差的反补偿,确保加工精度和稳定性。 [0056] 本说明书中各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可,每个实施例侧重说明的都是与其他实施例的不同之处。 [0057] 以上所述,仅为本申请的具体实施方式,但本申请的保护范围并不局限于此,任何熟悉本技术领域的技术人员在本申请揭露的技术范围内,可轻易想到的变化或替换,都应涵盖在本申请的保护范围之内。因此,本申请的保护范围应以权利要求的保护范围为准。 |