一種干切數(shù)控滾齒機床及工件熱變形誤差補償方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于數(shù)控滾齒機齒輪加工技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及干切數(shù)控滾齒加工時可同時 對干切數(shù)控滾齒工件熱變形誤差及機床熱變形誤差進行補償?shù)难a償方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 機床的熱變形誤差是指機床工作過程中由于電機、部件運動發(fā)熱、切削熱傳導、環(huán) 境溫度變化等原因，導致機床零部件變形，從而影響機床加工精度的現(xiàn)象。機床熱變形誤差 補償是通過檢測手段對機床工作時影響機床熱變形誤差的溫度變量值進行測量，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。最后在機床加工時根據(jù)誤差補償模型計算出實時熱變形誤差，通過機床數(shù)控系統(tǒng)實 現(xiàn)熱誤差在線補償。
[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，但同時存在以下問題：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加 工時關(guān)鍵點溫度和機床熱變形誤差進行測量，使用計算機進行建模分析，建立熱變形誤差 補償模型，然后將補償模型通過二次開發(fā)集成到數(shù)控系統(tǒng)中，在加工時根據(jù)關(guān)鍵點溫度實 時計算補償值，進行誤差補償。目前的機床熱變形誤差補償方法應用對象主要為濕式切削 機床，在其應用于干切數(shù)控滾齒機床時，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，造成補償精度不高，補償后工件尺寸一致性差，部分工件達不到后續(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致所加工工件尺寸一致性差，達 不到后續(xù)精加工的尺寸要求的問題。
[0006] 為實現(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)控滾齒機床及工件熱 變形誤差補償方法，在使用數(shù)控機床熱變形誤差補償系統(tǒng)對干切數(shù)控滾齒機床進行熱變形 誤差補償?shù)耐瑫r，利用相同補償系統(tǒng)對干切數(shù)控滾齒機床所加工工件的熱變形誤差進行補 償，具體包括如下步驟：
[0007] 1)通過干切數(shù)控滾齒機床的結(jié)構(gòu)特征以及加工時干切數(shù)控滾齒機床的熱像圖，確 定干切數(shù)控滾齒機床的熱敏感點，在各個熱敏感點處以及機床外部布置溫度傳感器；
[0008] 2)在加工過程中，測出溫度隨時間變化的數(shù)據(jù)為?\，T2，…，?；;Τi表示外部環(huán)境 溫度；T2，…，T。表示各個熱敏感點處的溫度；其中c表示溫度傳感器的個數(shù)；
[0009] 3)使用熱像儀測量剛加工完的工件的熱像圖，在其徑向方向上選取若干點，這些 點的平均溫度作為剛加工完的工件溫度Ta;
[0010] 4)采用模糊聚類法對溫度變量1\進行分類優(yōu)選，i= 1，2,…，c;然后根據(jù)聚類 分析的原理計算各溫度變量!\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 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] 并通過以下方式進行計算
[0027] 其中：Ιη為單位矩陣；

[0032] 由最小二乘法原理，，…，ap使全部觀測值Tak的殘差平方和.S；；:(/：i)達到最小，
[0033] 其中=p。fl;…是A的估計量，貝1J4+11可通過下式計算：
[0035] 由式子（5)計算出a。，％，…，ap的值，從而得到剛加工完的工件預測溫度模型為：
[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 差補償量ST之間的關(guān)系；
[0038] 其中δ1是為了補償工件熱變形誤差而通過機床數(shù)控系統(tǒng)在工件徑向附加的坐標 偏移量，公式如下：
[0040] m為工件模數(shù)；
[0041] α為工件的設計分度圓壓力角；
[0042]ζ為工件齒數(shù)；
[0043]r為工件的設計分度圓半徑；
[0044] ral為工件在設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計溫度Tb時溫度變化量，S卩Δ Tw=T a_Tb;
[0047] 結(jié)合公式（6)和（7)，可得計算式如下：
[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)控滾齒機床熱變形誤差補償模型，即建立熱敏點溫度變量?\與機床 熱變形誤差之間的關(guān)系；
[0051] 通過安裝在機床上的位移傳感器測量機床滾刀主軸與工件軸芯的中心距變化量 SΜ，δM機床熱變形誤差；
[0052] 然后計算各溫度變量?\與機床熱變形誤差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 代表組成一個溫度變量組Fi、…、Fp，其中、…、Fp}e{!\、…、T。}，用于機床 熱變形誤差的多元線性回歸一最小二乘法建模，其建模原理及計算方法同步驟4);
[0053] 經(jīng)過計算得到回歸系數(shù)b。，h，…，bp的值，則機床熱變形誤差補償模型為：
[0054] δM=b〇+b1F1+---+bpFp (9)
[0055] 7)將上述步驟5)的工件熱變形誤差補償模型和步驟6)的機床熱變形誤差補償模 型集成到在線補償控制器中；在機床加工時，通過把優(yōu)選溫度變量測得的溫度數(shù)據(jù)輸入在 線補償控制器，然后根據(jù)補償控制器里預置的工件熱變形誤差補償模型和機床熱變形誤差 補償模型計算出綜合熱變形誤差補償值SΜ+δ1;再將補償值送入機床數(shù)控系統(tǒng)，從而NC數(shù) 控程序控制機床進行坐標偏移以完成補償。
[0056] 本發(fā)明的優(yōu)點在于，干切數(shù)控滾齒機床在進行熱變形誤差補償?shù)耐瑫r，利用相同 補償系統(tǒng)對干切數(shù)控滾齒機床所加工工件的熱變形誤差進行補償，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為可同時對已加工工件熱變形誤差及干切數(shù)控滾齒機床熱變形誤差進行補 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，溫度傳感器"T#l"懸掛于 機床外部測試環(huán)境溫度，溫度傳感器"Τ#2"粘貼于機床床身部位；
[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為設計狀態(tài)，S2為進行 補償后剛加工完的狀態(tài)，S3為冷卻到工件設計溫度；
[0061] 圖5為剛加工完的工件溫度的測量值及預測值；
[0062] 圖6為齒厚誤差的測量值和預測值。
【具體實施方式】
[0063] 下面結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明作進一步說明，但不應該理解為本發(fā)明上述主題 范圍僅限于下述實施例。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 識和慣用手段，做出各種替換和變更，均應包括在本發(fā)明的保護范圍內(nèi)。
[0064] 實施例1 :
[0065] 參見圖1，一種干切數(shù)控滾齒機床及工件熱變形誤差補償方法，在使用數(shù)控機床熱 變形誤差補償系統(tǒng)對干切數(shù)控滾齒機床進行熱變形誤差補償?shù)耐瑫r，利用相同補償系統(tǒng)對 干切數(shù)控滾齒機床所加工工件的熱變形誤差進行補償。本實施例中以直齒工件為例，斜齒 工件分析原理等同，且本實施例僅介紹了X方向（工件徑向）的機床熱變形誤差建模及補 償，Y方向與Z方向的機床熱變形誤差建模及補償方法可用等同方式進行分析；其具體包括 如下步驟：
[0066] 1)通過干切數(shù)控滾齒機床的結(jié)構(gòu)特征以及加工時干切數(shù)控滾齒機床的熱像圖，確 定干切數(shù)控滾齒機床的熱敏感點（c-1個），在各個熱敏感點處以及