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基于 IB P神经网络的重型数控机床定位精度预测 口王胜 口李莎 口卫江 口苗晓锋 陕西广播 电视大学 工程管理系 西安7 1 0 1 1 9 摘要 针 对重型数控机床长距 离进给 系统定位精度不易测量的问题 ， 选取纵 向 3段位移 。 根 据 国标规 定每 一段位移 上确定 目标位置点 7个 ， 采 用激光干涉仪 对 3段位置定位精度进行测量， 得到 目标位置 点的定位精度 ， 利 用 3层结构的 B P 神 经网络 ， 预 测全域 范围的定位精度 ， 精度最 高可达 1 0 ． 0 4 ％。与 实测结果对比分析 ， 此方法可行。 关键词 重型数控车床定位精度B P神经 网络精度预测 中图分类号 T H1 1 5 文献标识码 A 文章编号 1 0 0 0 4 9 9 8 2 0 1 2 0 7 0 0 4 7 0 2 数 控 机 床 的 定 位 精 度 是 衡 量 数 控 机 床 性 能 的 一 个 重 要 指 标 ，数 控 机 床 定 位 精 度 是 指 机 床 的 移 动 部 件 在 数 字 控 制 系 统 控 制 下 ，快 速 或 匀 速 运 动 时 所 能 达 到 的 预 设 坐 标 精 度 ，是 数 控 机 床 区 别 于 普 通 机 床 的 一 个 显 著 标 志 [ 1 J 。因 此 ， 快 速 、 准 确 、 全 面 地 得 到 数 控 机 床 的 定 位 精 度 数 值 ， 是 研 究 数 控 机 床 定 位 精 度 的基 础 。 本 文 研 究 对 象 为 某 重 型 数 控 车 床 ，其 结 构 特 点 是 纵 向进 给 方 向位 移 长 度 可 达 2 0 m。使 用 双 频 激 光 干 涉 仪 测 量 定 位 精 度 过 程 中 ， 要 求 激 光 器 、 分 光 镜 和 反 光 镜 组 共 线 ， 准 直 光 路 系 统 就 占用 了很 长 的 辅 助 时 间 。 另 外 ， 国 标 GB ／ T 1 7 4 2 1 ． 1 - 2 0 0 0 中 的 规 定 ， 要 求 环 境 温 度 保 持 恒 温 2 0℃ ， 如 此 大 体 积 的 机 床 要 达 到 此 项 要 求 颇 有 难 度 。 另 外 ，此 研 究 对 象 由 国 内 某 机 床 生 产 厂 家 提 供 ， 该 型 产 品 年 产 量 仅 几 台 ， 长 时 间 占 用 其 进 行 测 试 ， 厂 家 有 实 际 困难 。 其 纵 向进 给 距 离 很 长 ， 在 实 际 测 量 中 ， 要 连 续 进 行 定 位 精 度 测 量 存 在 很 多 困 难 ， 故 得 出 Z 轴 方 向连 续 定 位 精 度 是 一 个 急 待 解 决 的 问 题 I2 ] 。 目前 测 量 定 位 精 度 的 方 法 有 一 维 球 列 法 、 球 柄 仪 法 和 双 频 激 光 干 涉 仪 测 量 法 _ 3 ] 。 一 维 球 列 法 可 测 量 3个 方 向 的误 差 ， 但 测 量 时 需 手 动 调 节 数 控 机 床 主 轴 ， 不 易 实 现 自动 化 ， 同 时 采 用 机 械 式 触 发 测 头 ， 存 在 一 定 的 接 触 变 形 误 差 。在 不 同 的 环 境 温 度 下 ， 由于 钢 球 和 机 床 的 热 膨 胀 ， 测 出 的 实 验 数 据 也 有 较 大 的 误 差 。 利 用 神 经 网 络 预 测 某 些 未 知 参 数 。 许 多 领 域 都 有 广 泛 应 用 ， 文 献 [ 4] 利 用 B P神 经 网 络 预 测 GF S I NS角 速 度 ； 文 献 [ 5 ] 利 用 神 经 网 络 实 现 了 气 含 率 的 全 面 预 测 。本 文 利 用 双 频 激 光 干 涉 仪 测 量 3段 纵 向 的 机 床 定 位 精 度 ， 采 用 B P神 经 网 络 对 本 研 究 对 象 纵 向 定 位 精 度 进 行 预 测 ， 得 到 全 行 程 数 据 的定 位 精 度 值 。 陕西省科技计划项 目 编号 2 0 1 0 J Q 7 0 0 3 陕西省教育厅资助项 目 编号 l 1 J K O 8 5 8 陕西广播电视大学 2 0 1 1 年度科研项目f 编号 l 1 0 8 一 B 3 5 收稿 日期 2 0 1 2年 2月 机械制造5 0 卷 第5 7 5 期 1 测量过程 图 1为 Re n i s h a w 公 司 XLI O双 频 激 光 干 涉 仪 定 位 精 度 测 量 原 理 图 。来 自激 光 发 射 器 的 光 束 进 入 线 性 干 涉 镜 ， 在 此 光 束 被 分 成 两 束 ， 一 束 光 称 为 参 考 光 束 被 引 向 线 性 反 射 镜 1 ， 另 一 束 光 测 量 光 束 则 穿 过 分 光 镜 到 达 线 性 反 射 镜 2； 然 后 ， 两 束 光 都 被 反 射 回 分 光 镜 ， 在 此 它 们 重 新 组 合 并 被 导 回到 激 光 头 ．激 光 头 内 的 探 测 器 监 测 两 束 光 之 间 的 干 涉 。 在 线 性 测 量 过 程 中 ， 一 个 光 学 组 件 保 持 静 止 不 动 ， 另 一 个 光 学 组 件 线 性 反 射 镜 2固 定 在 刀 架 上 沿 线 性 轴 移 动 。 通 过 监 测 测 量 光 束 和 参 考 光 束 之 间 的 光 路 差 异 的 变 化 ， 产 生 定 位 精 度 测 量 值 注 意 ， 它 是 两 个 光 学 组 件 之 间 的 差 异 测 量 值 ， 与 激 光 发 射 器 位 置 无 关 。 此 测 量 值 可 以 与 被 测 机 器 定 位 系 统 上 的 读 数 比较 ．获 得 定 位 误 差 。 测 得 的 部 分 位 置 的定 位 精 度 ， 如 表 1 ； 图 2 为 现 场 测 试 图 。 2 基 于 B P神经 网络的预测 2 ． 1 B P神 经 网络 的 基 本 原 理 BP f Ba c k P r o p a g a t i o n Ne u r a l Ne t wo r k s 神 经 网 络 即 前 馈 式 误 差 反 传 播 神 经 网 络 ，其 训 练 过 程 由两 部 分 组 成 信 息 正 向 传 播 和 误 差 反 向 传 播 。正 向传 播 时 ， 输 入 信 息 由输 入 层 经 隐 含 层 单 元 处 理 后 传 向 输 出层 ，每 一 层 神 经 元 的 状 态 只 影 响 下 一 层 神 经 元 状 态 。若 在 输 出 层 得 不 到 希 望 输 出 ， 则 转 入 误 差 反 向传 播 ， 将 误 差 信 号 沿 原 神 经 元 连 接 通 路 返 回 。 返 回过 程 中 ． 逐 一 修 改 各 层 神 经 元 连 接 的 权 值 。 以 上 过 程 不 2 0 1 2 ／ 7 画 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 冤 I黑_ ■ 。 一线 性 干 涉 镜I 激光发射器 一 - ▲图 2 现场测试图 表 1 机床定位精度测试结果／ m A B C D E F G 2 3 ． 6 l 8 ． 7 2 8．2 2 8． 1 3 0 ．6 3 1 ． 9 2 8 _ 3 2 3 ． 5 2 0_3 28 ．6 2 8 ．6 3 2 3 3 ． 1 2 9 ． 1 2 6 ． 8 2 2 ． 5 3 1 ． 4 3 4 3 4 ． 2 3 4 ． 6 2 7 ． 8 2 8 ． 8 2 2_3 3 2 ． 1 3 5．7 3 5 ．9 3 6 ． 1 3 0 ． 7 2 7 ． 5 3 3 ． 3 3 2 3 6．4 3 7 ． 2 3 7 ． 5 3 2 ． 7 1 2 3 4 5 6 群 7 3 1 ．4 2 7-2 2 5 ． 1 2 2．2 2 3 - 3 2 6 ．4 2 8 ． 1 3 1 ． 7 2 7 ． 7 2 7 ． 6 2 5．3 2 5 - 3 2 7 ． 8 2 8 _ 8 3 3 ． 1 2 9-3 28 ．9 2 5- 2 2 4 ． 6 2 8 ． 6 3 0 ． 2 3 4．4 31 ． 5 2 8 ． 6 2 7．8 2 5 ． 5 2 3 ． 7 2 2 ． 8 3 1 ．2 3 5 3 0 ． 2 2 7 3 2 - 2 3 0 ． 8 31 ．4 8 9 1 0 1 l 5 1 2 1 3 1 4 3 2 ．4 2 8 ． 2 2 6 ． 4 2 4．2 2 6 ． 3 2 7 ．4 2 8 ． 8 3 1 ．7 2 7 ． 6 2 8_4 2 5．4 2 5 ． 5 2 7 _ 3 2 8 - 3 3 2 ． 1 2 8 _ 3 2 8 ． 6 2 6．3 2 3 ．6 2 9 ．4 2 9 - 3 3 2 ． 3 31 _3 28 ． 1 2 8 ． 8 2 6 ．4 2 5 ． 5 2 6 ． 9 3 1 ． 5 3 4 ． 6 3 O ． 1 28 3 2 _ 3 2 9 ． 7 3 0 - 3 断 迭 代 ， 最 终 使 信 号 误 差 达 到 允 许 范 围 内 ， 网 络 结 束 学 习 训 练 过 程 。 网 络 模 型 在 训 练 过 程 中 会 出 现 “ 过 拟 合 ” 情 况 即 训 练 集 的 误 差 被 训 练 得 非 常 小 ， 而 当 训 练 好 的 网 络 结 构 用 于 新 数 据 时 却 产 生 很 大 误 差 的 现 象 。 “ 过 拟 合 ” 会 使 网 络 适 应 新 情 况 的 泛 化 能 力 降 低 ． 而 采 用 3 层 的 网 络 结 构 就 可 以很 好 地 解 决 该 问题 I 6 _ 。 2． 2模 型 建 立 、 训 练 及 预 测 根 据 定 位 精 度 测 试 结 果 ．输 入 层 到 隐层 的传 递 函数 为 l o g s i g和 p u r e l i n传递 函数 ， 反 向传递 函数 为 t r a i n l m。 设 定训 练 步 数 为 3 0 0 0 0步 ， 训 练 误 差 小 于 l x l O - l 。 根 据 表 2 其中 2段试验结果与预测结果／ u m 经验 和 相 关 文 献 ． BP 网 络 采 用 3 层 结 构 ， 输 入 层神 经 元 个数 随 y i I 练 样 本 的 增 加 而 变 化 其 隐 含 层 P为 2 n l ， 输 出 层 同样 有 ／ ／, 个 神 经 元 ， 采 用 S型 函 数 [ 7 ] 。训 练 过 程 如 图 3所 示 。 2 ． 3 实 测 结 果 分 析 选 择 了其 中两 段 的 的 定 位 精 度 预 测 结 果 如 表 2 。 B P神 经 网 络 计 算 时 间 较 长 ， 两 位 移 段 相 对 误 差 平 均 为 1 0 ． 0 4 ％和 1 5 ． 7 l ％ ，最 大 预 测 误 差 为 1 4， 达 到 2 4 ． 9 ％ ；靠 近 床 头 箱 位 移 段 的 预 测 精 度 均 高 于 靠 近 机 床 尾 座 位 移 段 的 预 测 精 度 。 3结论 本 文 以某 重 型 数 控 车 床 为 研 究 对 象 ，选 取 其 纵 轴 方 向 的 3段 位 移 ， 对 其 定 位 精 度 进 行 了 测 量 ， 得 到 了 目 标 位 置 点 的定 位 精 度 值 。根 据 测 量 结 果 ， 运 用 BP神 经 网 络 进 行 了 全 行 程 定 位 精 度 的 预 测 。 结 果 表 明 ， 此 种 方 法 为 获 得 大 行 程 长 位 移 的 测 量 点 的定 位 精 度 提 供 了 新 的 方 法 。 但 是 ， 预 测 误 差 相 对 较 大 ， 如 何 提 高 预 测 精 度 还 需 进 一 步 研 究 。 参 考 文 献 [ 1 ] 王哲 ， 赵爱国 ， 赵德云 ， 等． 数控机床定位精度 的综合分 析 [ J ] ． 机械设计与制造 ， 2 0 1 0 9 1 3 2 1 3 3 ． [ 2 ] 王胜 ， 刘宏昭 ， 原大宁． 重型数控 卧式车床定位精度激光测 量与误 差补偿 [ J ] ． 西安理 工大学学 报， 2 0 1 1 ， 2 7 3 2 7 1 27 4． [ 3 ] 曹永洁 ， 傅建 中． 数控机床定位 精度检测 方法 比较 [ J ] ． 组 合机床与 自动化加工技术 ， 2 0 0 6 1 1 6 0 6 2 ． [ 4 ] 韩庆楠 ， 郝燕玲 ， 刘志平 ， 等． 基 于 B P神经 网络的 G F S I N S 角 速度 预测[ J ] ． 华 中科 技大 学 学报 自然科 学 版 ， 2 0 1 1 ， 3 9 3 1 1 ．5 一 l 1 9 ． [ 5 ] 廖 寅飞 ， 刘炯天 ， 王永 田， 等． 基 于 B P神经 网络的旋流 静 态 微 泡 浮 选 柱气 含 率 预 测[ J ] ． 中 国 矿业 大学 学 报 ， 2 0 1 1 ， 4 0 5 4 4 3 4 4 7 ． [ 6 ] 孙宇 ， 曾卫 东 ， 赵永 庆 ， 等 ． 基 于 B P神 经 网络 测试点代 号 1 2 3 料 5 6 7 试验值 3 2 - 3 6 3 0 ． 1 4 2 8 ．0 8 2 5 ． 5 0 2 6 ． 1 8 2 7 ． 4 6 2 8 ． 2 6 B P神经 网络预测值 3 0 ． 3 5 2 7 ， 4 7 2 4 ．2 4 2 7 ． 3 3 2 2 ．5 8 2 4 ． 3 1 2 5 ．6 7 测试点代号 棹 8 9 1 0 1 1 1 2 1 3 1 4 试验值 3 2 ． o 0 3 0 ．O 0 2 8 - 3 2 2 6 ． 5 4 2 6 ． 8 2 2 7 ． 8 6 2 8 ．7 2 B P神经 网络预测值 2 7 ． 5 9 3 4 ． 2 1 2 6 - 3 3 3 0 ． 3 7 3 1 ．2 4 3 3 - 2 4 3 5 ．8 7 l圈 2 0 1 2 ／ 7 T i 6 0 0合金本构 关系模型 的建 立[ J ] ． 稀有 金属 材料与工程 ， 2 0 1 l ， 4 O 2 2 2 0 2 2 4 ． 『 7 ] 吕其 兵 ， 戴虹 ， 谭克利 ， 等． 基 于 B P人工 神经 网 络的钢轨交流 闪光焊焊接接头质量预测 [ J ] ． 焊 接学报 ， 2 0 0 5 ， 2 6 5 6 5 6 8 ． △ 编 辑 凌 云 机 械 制 造5 o 卷第 7 5 期a 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m