一種干切數(shù)控滾齒機(jī)床及工件熱變形誤差補(bǔ)償方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于數(shù)控滾齒機(jī)齒輪加工技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及干切數(shù)控滾齒加工時(shí)可同時(shí) 對(duì)干切數(shù)控滾齒工件熱變形誤差及機(jī)床熱變形誤差進(jìn)行補(bǔ)償?shù)难a(bǔ)償方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 機(jī)床的熱變形誤差是指機(jī)床工作過程中由于電機(jī)、部件運(yùn)動(dòng)發(fā)熱、切削熱傳導(dǎo)、環(huán) 境溫度變化等原因，導(dǎo)致機(jī)床零部件變形，從而影響機(jī)床加工精度的現(xiàn)象。機(jī)床熱變形誤差 補(bǔ)償是通過檢測(cè)手段對(duì)機(jī)床工作時(shí)影響機(jī)床熱變形誤差的溫度變量值進(jìn)行測(cè)量，并通過模 糊聚類等方法優(yōu)化出關(guān)鍵溫度變量，然后建立機(jī)床熱變形誤差與關(guān)鍵溫度變量之間的關(guān)系 模型。最后在機(jī)床加工時(shí)根據(jù)誤差補(bǔ)償模型計(jì)算出實(shí)時(shí)熱變形誤差，通過機(jī)床數(shù)控系統(tǒng)實(shí) 現(xiàn)熱誤差在線補(bǔ)償。
[0003]干式切削是近年興起的新型加工技術(shù)，干式切削消除了切削液的使用，具有綠色 環(huán)保的特點(diǎn)，但同時(shí)存在以下問題：傳統(tǒng)濕式切削采用澆注式冷卻方式，因此加工完后的工 件溫度受環(huán)境溫度、切削參數(shù)等因素影響較小，加工后的工件溫度與切削油溫度較接近，且 一致性較好。而干式切削由于不適用切削油，因此加工完后工件溫度較高，且其受環(huán)境溫 度、切削參數(shù)等影響，一致性差，導(dǎo)致工件冷卻至室溫過程中尺寸發(fā)生變化，工件尺寸精度 及尺寸一致性難以控制。
[0004]現(xiàn)有熱變形誤差補(bǔ)償方法的主要方式為：使用溫度傳感器和位移傳感器分別對(duì)加 工時(shí)關(guān)鍵點(diǎn)溫度和機(jī)床熱變形誤差進(jìn)行測(cè)量，使用計(jì)算機(jī)進(jìn)行建模分析，建立熱變形誤差 補(bǔ)償模型，然后將補(bǔ)償模型通過二次開發(fā)集成到數(shù)控系統(tǒng)中，在加工時(shí)根據(jù)關(guān)鍵點(diǎn)溫度實(shí) 時(shí)計(jì)算補(bǔ)償值，進(jìn)行誤差補(bǔ)償。目前的機(jī)床熱變形誤差補(bǔ)償方法應(yīng)用對(duì)象主要為濕式切削 機(jī)床，在其應(yīng)用于干切數(shù)控滾齒機(jī)床時(shí)，由于沒有考慮干切數(shù)控滾齒所加工工件的熱變形 誤差問題，造成補(bǔ)償精度不高，補(bǔ)償后工件尺寸一致性差，部分工件達(dá)不到后續(xù)精加工的尺 寸要求。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明的目的是解決干切數(shù)控滾齒工件熱變形導(dǎo)致所加工工件尺寸一致性差，達(dá) 不到后續(xù)精加工的尺寸要求的問題。
[0006] 為實(shí)現(xiàn)本發(fā)明目的而采用的技術(shù)方案是這樣的，一種干切數(shù)控滾齒機(jī)床及工件熱 變形誤差補(bǔ)償方法，在使用數(shù)控機(jī)床熱變形誤差補(bǔ)償系統(tǒng)對(duì)干切數(shù)控滾齒機(jī)床進(jìn)行熱變形 誤差補(bǔ)償?shù)耐瑫r(shí)，利用相同補(bǔ)償系統(tǒng)對(duì)干切數(shù)控滾齒機(jī)床所加工工件的熱變形誤差進(jìn)行補(bǔ) 償，具體包括如下步驟：
[0007] 1)通過干切數(shù)控滾齒機(jī)床的結(jié)構(gòu)特征以及加工時(shí)干切數(shù)控滾齒機(jī)床的熱像圖，確 定干切數(shù)控滾齒機(jī)床的熱敏感點(diǎn)，在各個(gè)熱敏感點(diǎn)處以及機(jī)床外部布置溫度傳感器；
[0008] 2)在加工過程中，測(cè)出溫度隨時(shí)間變化的數(shù)據(jù)為?\，T2，…，?；;Τi表示外部環(huán)境 溫度；T2，…，T。表示各個(gè)熱敏感點(diǎn)處的溫度；其中c表示溫度傳感器的個(gè)數(shù)；
[0009] 3)使用熱像儀測(cè)量剛加工完的工件的熱像圖，在其徑向方向上選取若干點(diǎn)，這些 點(diǎn)的平均溫度作為剛加工完的工件溫度Ta;
[0010] 4)采用模糊聚類法對(duì)溫度變量1\進(jìn)行分類優(yōu)選，i= 1，2,…，c;然后根據(jù)聚類 分析的原理計(jì)算各溫度變量!\之間的相關(guān)系數(shù)rττ;
[0011] 再根據(jù)相關(guān)系數(shù)矩陣及聚類樹形圖將溫度變量?\分為ρ類；
[0012] 之后計(jì)算各溫度變量!\與剛加工完的工件溫度Τ3之間的相關(guān)系數(shù)r"3;從每一類 中選取一個(gè)rTTa最大的溫度變量作為該類的代表；最后將選出來的每類溫度代表組成一個(gè) 溫度變量組L、…、tp，其中^=1\，{^、…、tp}e{!\、…、T。}，用于剛加工完的工件溫 度!；的多元線性回歸一最小二乘法建模；
[0013] 溫度變量1\間相關(guān)系數(shù)值的計(jì)算式：
[0015] 溫度變量!\與剛加工完的工件溫度TJ司相關(guān)系數(shù)值的計(jì)算式：
[0017] 式子（1)和⑵中：
[0018] k= 1，2，…，η;n表示樣本總數(shù)；
[0019] j辛i，j= 1，2，…，c;
[0020] rTTi」為溫度變量T占T」間的相關(guān)系數(shù)值；
[0021 ]rTTal為溫度變量Ti與工件溫度TJ司的相關(guān)系數(shù)值；
[0022] Tlk為溫度變量Ti的第k個(gè)樣本值；
[0023] f為溫度變量?\的樣本平均值；
[0024] Tak為溫度變量Ta的第k個(gè)樣本值；
[0025] ξ為工件溫度變量1；的樣本平均值；
[0026] 并通過以下方式進(jìn)行計(jì)算
[0027] 其中：Ιη為單位矩陣；

[0032] 由最小二乘法原理，，…，ap使全部觀測(cè)值Tak的殘差平方和.S；；:(/：i)達(dá)到最小，
[0033] 其中=p。fl;…是A的估計(jì)量，貝1J4+11可通過下式計(jì)算：
[0035] 由式子（5)計(jì)算出a。，％，…，ap的值，從而得到剛加工完的工件預(yù)測(cè)溫度模型為：
[0036] Ta= G (t !，t2,…，tp) = &。+&山+." +aptp (6)
[0037] 5)建立工件熱變形誤差補(bǔ)償模型，即建立剛加工完的工件溫度1；與工件熱變形誤 差補(bǔ)償量ST之間的關(guān)系；
[0038] 其中δ1是為了補(bǔ)償工件熱變形誤差而通過機(jī)床數(shù)控系統(tǒng)在工件徑向附加的坐標(biāo) 偏移量，公式如下：
[0040] m為工件模數(shù)；
[0041] α為工件的設(shè)計(jì)分度圓壓力角；
[0042]ζ為工件齒數(shù)；
[0043]r為工件的設(shè)計(jì)分度圓半徑；
[0044] ral為工件在設(shè)定溫度下的齒頂圓半徑；
[0045] λ為工件材料的熱膨脹系數(shù)；
[0046]Λ Tw為工件從剛加工完冷卻至工件設(shè)計(jì)溫度Tb時(shí)溫度變化量，S卩Δ Tw=T a_Tb;
[0047] 結(jié)合公式（6)和（7)，可得計(jì)算式如下：
[0048] δ T= F(G(t !, tp)) (8)
[0049] 即直接建立工件熱變形誤差補(bǔ)償量δT與溫度變量Ti之間的關(guān)系模型；
[0050]6)建立干切數(shù)控滾齒機(jī)床熱變形誤差補(bǔ)償模型，即建立熱敏點(diǎn)溫度變量?\與機(jī)床 熱變形誤差之間的關(guān)系；
[0051] 通過安裝在機(jī)床上的位移傳感器測(cè)量機(jī)床滾刀主軸與工件軸芯的中心距變化量 SΜ，δM機(jī)床熱變形誤差；
[0052] 然后計(jì)算各溫度變量?\與機(jī)床熱變形誤差δM之間的相關(guān)系數(shù)rτδηι，從溫度變量 分類的每一類中選取一個(gè)rT5ni最大的溫度變量作為該類的代表；最后將選出來的每類溫度 代表組成一個(gè)溫度變量組Fi、…、Fp，其中、…、Fp}e{!\、…、T。}，用于機(jī)床 熱變形誤差的多元線性回歸一最小二乘法建模，其建模原理及計(jì)算方法同步驟4);
[0053] 經(jīng)過計(jì)算得到回歸系數(shù)b。，h，…，bp的值，則機(jī)床熱變形誤差補(bǔ)償模型為：
[0054] δM=b〇+b1F1+---+bpFp (9)
[0055] 7)將上述步驟5)的工件熱變形誤差補(bǔ)償模型和步驟6)的機(jī)床熱變形誤差補(bǔ)償模 型集成到在線補(bǔ)償控制器中；在機(jī)床加工時(shí)，通過把優(yōu)選溫度變量測(cè)得的溫度數(shù)據(jù)輸入在 線補(bǔ)償控制器，然后根據(jù)補(bǔ)償控制器里預(yù)置的工件熱變形誤差補(bǔ)償模型和機(jī)床熱變形誤差 補(bǔ)償模型計(jì)算出綜合熱變形誤差補(bǔ)償值SΜ+δ1;再將補(bǔ)償值送入機(jī)床數(shù)控系統(tǒng)，從而NC數(shù) 控程序控制機(jī)床進(jìn)行坐標(biāo)偏移以完成補(bǔ)償。
[0056] 本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于，干切數(shù)控滾齒機(jī)床在進(jìn)行熱變形誤差補(bǔ)償?shù)耐瑫r(shí)，利用相同 補(bǔ)償系統(tǒng)對(duì)干切數(shù)控滾齒機(jī)床所加工工件的熱變形誤差進(jìn)行補(bǔ)償，兩者共同作用極大減小 了工件的加工誤差和廢品率，解決了干切滾齒加工時(shí)由于工件熱變形造成的工件尺寸精度 及一致性差的問題。
【附圖說明】
[0057] 圖1為可同時(shí)對(duì)已加工工件熱變形誤差及干切數(shù)控滾齒機(jī)床熱變形誤差進(jìn)行補(bǔ) 償?shù)南到y(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖；
[0058] 圖2為"Τ#3"一"Τ#14"溫度傳感器布置位置示意圖，其中圈形標(biāo)注的中心部位 為溫度傳感器的粘貼位置，"Τ#3"一"Τ#14"為溫度傳感器編號(hào)，溫度傳感器"T#l"懸掛于 機(jī)床外部測(cè)試環(huán)境溫度，溫度傳感器"Τ#2"粘貼于機(jī)床床身部位；
[0059] 圖3為剛加工完的工件的熱像圖；
[0060] 圖4為工件在S2、S3三種狀態(tài)下的齒形示意圖，其中Si為設(shè)計(jì)狀態(tài)，S2為進(jìn)行 補(bǔ)償后剛加工完的狀態(tài)，S3為冷卻到工件設(shè)計(jì)溫度；
[0061] 圖5為剛加工完的工件溫度的測(cè)量值及預(yù)測(cè)值；
[0062] 圖6為齒厚誤差的測(cè)量值和預(yù)測(cè)值。
【具體實(shí)施方式】
[0063] 下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說明，但不應(yīng)該理解為本發(fā)明上述主題 范圍僅限于下述實(shí)施例。在不脫離本發(fā)明上述技術(shù)思想的情況下，根據(jù)本領(lǐng)域普通技術(shù)知 識(shí)和慣用手段，做出各種替換和變更，均應(yīng)包括在本發(fā)明的保護(hù)范圍內(nèi)。
[0064] 實(shí)施例1 :
[0065] 參見圖1，一種干切數(shù)控滾齒機(jī)床及工件熱變形誤差補(bǔ)償方法，在使用數(shù)控機(jī)床熱 變形誤差補(bǔ)償系統(tǒng)對(duì)干切數(shù)控滾齒機(jī)床進(jìn)行熱變形誤差補(bǔ)償?shù)耐瑫r(shí)，利用相同補(bǔ)償系統(tǒng)對(duì) 干切數(shù)控滾齒機(jī)床所加工工件的熱變形誤差進(jìn)行補(bǔ)償。本實(shí)施例中以直齒工件為例，斜齒 工件分析原理等同，且本實(shí)施例僅介紹了X方向（工件徑向）的機(jī)床熱變形誤差建模及補(bǔ) 償，Y方向與Z方向的機(jī)床熱變形誤差建模及補(bǔ)償方法可用等同方式進(jìn)行分析；其具體包括 如下步驟：
[0066] 1)通過干切數(shù)控滾齒機(jī)床的結(jié)構(gòu)特征以及加工時(shí)干切數(shù)控滾齒機(jī)床的熱像圖，確 定干切數(shù)控滾齒機(jī)床的熱敏感點(diǎn)（c-1個(gè)），在各個(gè)熱敏感點(diǎn)處以及