1.1 研究目的及意义

作为制造大国，工业制造必然是维系着国家的未来发展的。为了更好地适应激烈的科学技术竞争，一种适合于产品更新换代快、品种多、质量和生产率高、成本低的自动化生产设备的应用已迫在眉睫。

由于数控机床可以在一定程度上实现这些工业生产过程中的目标，因此被各类厂家加以关注。数控机床的发展日新月异，高速化、高精度化、复合化、智能化、开放化、并联驱动化、网络化、极端化、绿色化已成为数控机床发展的趋势和方向。中国作为一个制造大国，主要还是依靠劳动力、价格、资源等方面的比较优势，而在产品的技术创新与自主开发方面与国外同行的差距还很大。中国的数控产业不能安于现状，应该抓住机会不断发展，努力发展自己的先进技术，加大技术创新，提高高精度生产能力，努力缩短与发达国家之间的差距。力争早日实现数控机床产品从低端到高端、从初级产品加工到高精尖产品制造的转变，实现从中国制造到中国创造、从制造大国到制造强国的转变。

数控机床具有较普通机床切削加工过程中无法比拟的优点：加工精度高。当前的数控装置脉冲当量达到了0.001mm，而且运动执行机构的误差均可以通过数控系统的误差补偿计算予以消除；生产效率高、经济效益好。数控机床的快速移动和停止采用了加、减速措施，提高了运动速度，且保证了定位精度，从而做到有效地缩短了加工时间；高可靠性。数控系统的可靠性要高于被控的设备的可靠性在一个数量级以上，就被称为具有高可靠性。。

正因为数控机床拥有以上的优点，且不需要大量人工作为辅助，自动化程度高，因而在制造过程中被广泛使用。而热误差是影响数控机床加工精度的主要原因之一，为了提高机床的加工精度，存在三种常用的减小热误差的方法：温度控制法、误差预防法和误差补偿法。温度控制法的思路是控制数控机床床身上关键部件的温度，从而控制其热变形的情况。误差预防法是在设计过程中合理选择产生热变形部件材料的膨胀系数、控制热变形和热误差的方向，从而有效防止重要部件的热变形对机床的加工误差产生影响。而这两种方法在实际操作过程中却有很大的局限性，即使可能实施，经济上的代价往往也较大。因此最主要的方法是热误差补偿法。该方法用温度数据来预测热误差，对温度数据提出了要求：数据必须准确可靠，而在机床温度采集的过程中，会因为环境干扰、测温系统故障等产生异常数据，由此可见对温度数据进行异常值检测的重要性。

异常检测就是发现与大部分其他对象不同的对象。异常的成因可以认为主要来自这几个方面：数据来源于不同的类、自然变异和数据测量及收集的失误。异常检测被广泛运用到入侵检测、医疗健康检测、文本数据检测和传感器网络检测等领域。异常点通常是发生在数据集内偏离大部分数据的数据，是人怀疑这些数据是由不同的机制产生的，而非随机偏差。

在不同应用领域，根据分析的数据对象的特征和定义的不同，采用的异常检测技术也就不同。常用的异常监测手段包括：基于统计、基于最近邻、基于聚类、基于分类和基于频谱分解。基于统计方法是最早的异常检测方法，对给定的数据集合假设概率模型，然后根据模型采用不一致性检验来确立异常点。基于统计的方法的主要缺点是：绝大多数检测都是针对单个属性的，而许多数据挖掘问题都要求在多维空间中发现异常，且该方法中需要事先知道数据的分布，而大多数情况下，数据的分布情况可能是为未知的。基于最近临的异常检测方法扩展了不一致性检验的思想，与此定义相应的算法包括：基于索引的算法、嵌套循环算法、基于单元或划分的算法。基于聚类的方法通过将相似的数据实例分到具有相似行为的簇中来实现对异常的检测。基于频谱的分析方法则是通过主成分来发掘数据集中正常的行为模式，计算量较大。

大多数的数据采集传感器都是工作在无线传感器网络中的，这种工作环境一般不适合有人管理，且能量和带宽都受到较大的环境影响。从数据分析的角度来看，这意味着不间断地监视大量的时间序列数据，以便检测潜在的故障或异常现象。由于实际中的系统异常或者软件问题可能会非常多，通过人工监控几乎是不可能的，因此非常有必要使用机器学习和数据挖掘技术进行自动化异常检测。在开始进行数据的异常检测之前，还要对数据进行预处理，去除收集数据过程中的噪声影响，否则可能会出现收集的所有数据都是异常值的情况，这种现象对于后面的分析也是没有意义的。对于数控机床而言，由于温度值不会发生陡然的变化，因此当采集到的数据与其临近的数据偏差超过设定值时，便可认为这是一个异常值。利用滑动窗口和编程算法检测出来异常值后，可以将它们限制在合理的数据范围内，使采集到的数据成为可以使用的数据。

保证采集的数据的正确和有效性在实际操作中有很多作用，比如它可以在一定程度上减小机器的热误差、提高和完善检测系统准确性、实时发现异常状况并采取处理措施等。

热误差是不可避免的。数控机床在使用和对工件进行加工的过程中，零件之间存在摩擦产生摩擦热、切割物体产生切削热、机床本身在工作时会产生热，从而导致零件的热变形。这些热误差都会导致工件加工过程的变形，导致产品的精度降低。