一种干切数控滚齿机床及工件热变形误差补偿方法技术

本发明专利技术提供一种干切数控滚齿机床及工件热变形误差补偿方法，在使用数控机床热变形误差补偿系统对干切数控滚齿机床进行热变形误差补偿的同时，利用相同补偿系统对干切数控滚齿机床所加工工件的热变形误差进行补偿；首先建立工件热变形误差模型及干切数控滚齿机床热变形误差模型，将上述误差模型集成到在线补偿器中，在干切数控滚齿机床加工时，将温度传感器测量得到的温度数据，通过在线补偿器处理得到误差补偿值，再将补偿值送入机床数控系统，最后数控系统进行坐标偏移，从而实现干切滚齿机床及工件热变形误差补偿。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于数控滚齿机齿轮加工
，具体涉及干切数控滚齿加工时可同时 对干切数控滚齿工件热变形误差及机床热变形误差进行补偿的补偿方法。
技术介绍
机床的热变形误差是指机床工作过程中由于电机、部件运动发热、切削热传导、环 境温度变化等原因，导致机床零部件变形，从而影响机床加工精度的现象。机床热变形误差 补偿是通过检测手段对机床工作时影响机床热变形误差的温度变量值进行测量，并通过模 糊聚类等方法优化出关键温度变量，然后建立机床热变形误差与关键温度变量之间的关系 模型。最后在机床加工时根据误差补偿模型计算出实时热变形误差，通过机床数控系统实 现热误差在线补偿。干式切削是近年兴起的新型加工技术，干式切削消除了切削液的使用，具有绿色 环保的特点，但同时存在以下问题：传统湿式切削采用浇注式冷却方式，因此加工完后的工 件温度受环境温度、切削参数等因素影响较小，加工后的工件温度与切削油温度较接近，且 一致性较好。而干式切削由于不适用切削油，因此加工完后工件温度较高，且其受环境温 度、切削参数等影响，一致性差，导致工件冷却至室温过程中尺寸发生变化，工件尺寸精度 及尺寸一致性难以控制。现有热变形误差补偿方法的主要方式为：使用温度传感器和位移传感器分别对加 工时关键点温度和机床热变形误差进行测量，使用计算机进行建模分析，建立热变形误差 补偿模型，然后将补偿模型通过二次开发集成到数控系统中，在加工时根据关键点温度实 时计算补偿值，进行误差补偿。目前的机床热变形误差补偿方法应用对象主要为湿式切削 机床，在其应用于干切数控滚齿机床时，由于没有考虑干切数控滚齿所加工工件的热变形 误差问题，造成补偿精度不高，补偿后工件尺寸一致性差，部分工件达不到后续精加工的尺 寸要求。
技术实现思路
本专利技术的目的是解决干切数控滚齿工件热变形导致所加工工件尺寸一致性差，达 不到后续精加工的尺寸要求的问题。 为实现本专利技术目的而采用的技术方案是这样的，一种干切数控滚齿机床及工件热 变形误差补偿方法，在使用数控机床热变形误差补偿系统对干切数控滚齿机床进行热变形 误差补偿的同时，利用相同补偿系统对干切数控滚齿机床所加工工件的热变形误差进行补 偿，具体包括如下步骤： 1)通过干切数控滚齿机床的结构特征以及加工时干切数控滚齿机床的热像图，确 定干切数控滚齿机床的热敏感点，在各个热敏感点处以及机床外部布置温度传感器； 2)在加工过程中，测出温度随时间变化的数据为?\，T2，…，?；;Τi表示外部环境 温度；T2，…，T。表示各个热敏感点处的温度；其中c表示温度传感器的个数； 3)使用热像仪测量刚加工完的工件的热像图，在其径向方向上选取若干点，这些 点的平均温度作为刚加工完的工件温度Ta; 4)采用模糊聚类法对温度变量1\进行分类优选，i= 1，2,…，c;然后根据聚类 分析的原理计算各温度变量!\之间的相关系数rττ; 再根据相关系数矩阵及聚类树形图将温度变量?\分为ρ类； 之后计算各温度变量!\与刚加工完的工件温度Τ3之间的相关系数r"3;从每一类 中选取一个rTTa最大的温度变量作为该类的代表；最后将选出来的每类温度代表组成一个 温度变量组L、…、tp，其中^=1\，{^、…、tp}e{!\、…、T。}，用于刚加工完的工件温 度!；的多元线性回归一最小二乘法建模； 温度变量1\间相关系数值的计算式： 温度变量!\与刚加工完的工件温度TJ司相关系数值的计算式： 式子（1)和⑵中： k= 1，2，…，η;n表示样本总数； j辛i，j= 1，2，…，c; rTTi」为温度变量T占T」间的相关系数值；rTTal为温度变量Ti与工件温度TJ司的相关系数值； Tlk为温度变量Ti的第k个样本值； f为温度变量?\的样本平均值； Tak为温度变量Ta的第k个样本值； ξ为工件温度变量1；的样本平均值； 并通过以下方式进行计算 其中：Ιη为单位矩阵； 由最小二乘法原理，，…，ap使全部观测值Tak的残差平方和.S；；:(/：i)达到最小， 其中=p。fl;…是A的估计量，贝1J4+11可通过下式计算： 由式子（5)计算出a。，％，…，ap的值，从而得到刚加工完的工件预测温度模型为： Ta= G (t !，t2,…，tp) = &。+&山+." +aptp (6) 5)建立工件热变形误差补偿模型，即建立刚加工完的工件温度1；与工件热变形误 差补偿量ST之间的关系； 其中δ1是为了补偿工件热变形误差而通过机床数控系统在工件径向附加的坐标 偏移量，公式如下： m为工件模数； α为工件的设计分度圆压力角；ζ为工件齿数；r为工件的设计分度圆半径； ral为工件在设定温度下的齿顶圆半径； λ为工件材料的热膨胀系数；Λ Tw为工件从刚加工完冷却至工件设计温度Tb时温度变化量，S卩Δ Tw=T a_Tb; 结合公式（6)和（7)，可得计算式如下： δ T= F(G(t !, tp)) (8) 即直接建立工件热变形误差补偿量δT与温度变量Ti之间的关系模型；6)建立干切数控滚齿机床热变形误差补偿模型，即建立热敏点温度变量?\与机床 热变形误差之间的关系； 通过安装在机床上的位移传感器测量机床滚刀主轴与工件轴芯的中心距变化量 SΜ，δM机床热变形误差； 然后计算各温度变量?\与机床热变形误差δM之间的相关系数rτδηι，从温度变量 分类的每一类中选取一个rT5ni最大的温度变量作为该类的代表；最后将选出来的每类温度 代表组成一个温度变量组Fi、…、Fp，其中、…、Fp}e{!\、…、T。}，用于机床 热变形误差的多元线性回归一最小二乘法建模，其建模原理及计算方法同步骤4); 经过计算得到回归系数b。，h，…，bp的值，则机床热变形误差补偿模型为： δM=b〇+b1F1+---+bpFp (9) 7)将上述步骤5)的工件热变形误差补偿模型和步骤6)的机床热变形误差补偿模 型集成到在线补偿控制器中；在机床加工时，通过把优选温度变量测得的温度数据输入在 线补偿控制器，然后根据补偿控制器里预置的工件热变形误差补偿模型和机床热变形误差 补偿模型计算出综合热变形误差补偿值SΜ+δ1;再将补偿值送入机床数控系统，从而NC数 控程序控制机床进行坐标偏移以完成补偿。 本专利技术的优点在于，干切数控滚齿机床在进行热变形误差补偿的同时，利用相同 补偿系统对干切数控滚齿机床所加工工件的热变形误差进行补偿，两者共同作用极大减小 了工件的加工误差和废品率，解决了干切滚齿加工时由于工件热变形造成的工件尺寸精度 及一致性差的问题。【附图说明】 图1为可同时对已加工工件热变形误差及干切数控滚齿机床热变形误差进行补 偿的系统结构示意图； 图2为"Τ#3"一"Τ#14"温度传感器布置位置示意图，其中圈形标注的中心部位 为温度传感器的粘贴位置，"Τ#3"一"Τ#14"为温度传感器编号，温度传感器"T#l"悬挂于 机床外部测试环境温度，温度传感器"Τ#2"粘贴于机床床身部位； 图3为刚加工完的工件的热像图； 图4为工件在S2、S3三种状态下的齿形示意图，其中Si为设计状态，S2为进行 补偿后刚加工完的状态，S3为冷却到工件设计温度； 图5为刚加工完的工件温度的测量值及预测值； 图6为齿厚误差的本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种干切数控滚齿机床及工件热变形误差补偿方法，其特征在于，包括如下步骤：1)通过干切数控滚齿机床的结构特征以及加工时干切数控滚齿机床的热像图，确定干切数控滚齿机床的热敏感点，在各个热敏感点处以及机床外部布置温度传感器；2)在加工过程中，测出温度随时间变化的数据为T1，T2，…，Tc；T1表示外部环境温度；T2，…，Tc表示各个热敏感点处的温度；其中c表示温度传感器的个数；3)使用热像仪测量刚加工完的工件的热像图，在其径向方向上选取若干点，这些点的平均温度作为刚加工完的工件温度Ta；4)采用模糊聚类法对温度变量Ti进行分类优选，i＝1,2，…，c；然后根据聚类分析的原理计算各温度变量Ti之间的相关系数rTT；再根据相关系数矩阵及聚类树形图将温度变量Ti分为p类；之后计算各温度变量Ti与刚加工完的工件温度Ta之间的相关系数rTTa；从每一类中选取一个rTTa最大的温度变量作为该类的代表；最后将选出来的每类温度代表组成一个温度变量组t1、…、tp，其中t1＝T1，{t1、…、tp}∈{T1、…、Tc}，用于刚加工完的工件温度Ta的多元线性回归—最小二乘法建模；温度变量Ti间相关系数值的计算式：rTTij=Σk=1n(Tik-T‾i)(Tjk-T‾j)Σk=1n(Tik-T‾i)2Σk=1n(Tjk-T‾j)2---(1)]]>温度变量Ti与刚加工完的工件温度Ta间相关系数值的计算式：rTTai=Σk=1n(Tik-T‾i)(Tak-T‾a)Σk=1n(Tik-T‾i)2Σk=1n(Tak-T‾a)2---(2)]]>式子(1)和(2)中：k＝1，2，…，n；n表示样本总数；j≠i，j＝1，2，…，c；rTT ij为温度变量Ti与Tj间的相关系数值；rTT ai为温度变量Ti与工件温度Ta间的相关系数值；Tik为温度变量Ti的第k个样本值；为温度变量Ti的样本平均值；Tak为温度变量Ta的第k个样本值；为工件温度变量Ta的样本平均值；并通过以下方式进行计算：Ta=tA+ϵϵ~Nn(0,σ2In)---(3)]]>其中：In为单位矩阵；Ap+1 1＝[a0 a1 … ap]T；Ta n＝[Ta0 Ta1 … Tan]T；εn＝[ε0 ε1 … εn]T；由最小二乘法原理，a0，a1，…，ap使全部观测值Tak的残差平方和达到最小，即T^an1=t^np+1·A^p+11∂∂ASE2(A^)=0---(4)]]>其中A^p+1 1=a0a1...apT]]>是A的估计量，则可通过下式计算：A^p+11=(t^np+1Tt^np+1)-1t^np+1TT^an1---(5)]]>由式子(5)计算出a0，a1，…，ap的值，从而得到刚加工完的工件预测温度模型为：Ta＝G(t1,t2,…,tp)＝a0+a1t1+…+aptp  (6)5)建立工件热变形误差补偿模型，即建立刚加工完的工件温度Ta与工件热变形误差补偿量δT之间的关系；其中δT是为了补偿工件热变形误差而通过机床数控系统在工件径向附加的坐标偏移量，公式如下：δT=F(Ta)=m2tanα[π+2zinvα-2zinvarccos(rra1cosα)2(1-2ΔTwλ)(1+ΔTwλ)-π2-zinvα+zinvarccos(r(1+ΔTwλ)ra1cosα)]---(7)]]>m为工件模数；α为工件的设计分度圆压力角；z为工件齿数；r为工件的设计分度圆半径；ra1为工件在设定温度下的齿顶圆半径；λ为工件材料的热膨胀系数；ΔTw为工件从刚加工完冷却至工件设计温度Tb时温度变化量，即ΔTw＝Ta‑Tb；结合公式(6)和(7)，可得计算式如下：δT＝F(G(t1,t2…,tp))   (8)即直接建立工件热变形误差补偿量δT与温度变量Ti之间的关系模型；6)建立干切数控滚齿机床热变形误差补偿模型，即建立热敏点温度变量Ti与机床热变形误差δM之间的关系；通过安装在机床上的位移传感器测量机床滚刀主轴与工件轴芯的中心距变化量δM，δM机床热变形误差；然后计算各温度变量Ti与机床热变形误差δM之间的相关系数rTδm，从温度变量分类的每一类中选取一个rTδm最大的温度变量作为该类的代表；最后将选出来的每类温度代表组成一个温度变量组F1、…、Fp，其中F...

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：曹华军，朱利斌，杨潇，李本杰，张应，
申请(专利权)人：重庆大学，
类型：发明
国别省市：重庆;85