一种干切数控滚齿机床及工件热变形误差补偿方法
专利类型：发明专利
语 言：中文
申 请 号：CN201510969956.7
申 请 日：20151222
申 请 人：重庆大学
申请人地址：400044 重庆市沙坪坝区沙正街174号
公 开 日：20180706
公 开 号：CN105397560B
代 理 人：王翔
代理机构：重庆大学专利中心 50201
摘 要：本发明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。
主 权 项：1.一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：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：
式子(1)和(2)中：k＝1，2，…，n；n表示样本总数；j≠i，j＝1，2，…，c；rTTij为温度变量Ti与Tj间的相关系数值；rTTai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：
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
其中
是A的估计量，则
可通过下式计算：
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：
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即机床热变形误差；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F1＝T1且{F1、…、Fp}∈{T1、…、Tc}，用于机床热变形误差δM的多元线性回归—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b0，b1，…，bp的值，则机床热变形误差补偿模型为：δM＝b0+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δM+δT；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。
关 键 词：热变形误差;数控滚齿机床;补偿系统;在线补偿;温度传感器测量;机床数控系统;滚齿机床;加工工件;数控系统;温度数据;误差补偿;误差模型;坐标偏移;数控机床;送入;加工
法律状态：授权
IPC专利分类号：B23Q11/00(2006.01)I