一种干切数控滚齿机床径向热变形误差在机实时补偿方法与流程

本发明涉及干切数控滚齿机床加工技术领域，尤其涉及干切数控滚齿加工过程中对干切数控滚齿机床热变形误差进行在机实时补偿的补偿方法。

背景技术：

近年来，干式切削技术得到了突飞猛进的发展，干式切削取消了传统切削过程中切削油液的使用，是一种典型的绿色环保的可持续切削加工工艺。但由于取消了切削油液的使用，使得干切机床在加工过程中热变形较严重，热稳定性难以保证，导致被加工工件的尺寸精度及尺寸一致性难以控制。

干切机床在运行工作过程中，由于机床各轴电机运转、轴承和导轨运动、切削加工等在机床中产生了大量的热量，而且切削区产生的热量一部分以切屑、空气对流等方式被带走，其余部分的热量分布在刀具，被加工工件以及机床中。热量在产生以及传导的过程中会导致干切机床内部温度逐渐升高，从而使干切机床零部件发生不同程度的变形，影响机床的运行加工精度，机床的加工精度会直接反映到被加工工件的精度上。

现有的机床热变形误差补偿方法主要有两种方式，一是利用温度传感器测量机床关键部位温度建立机床热变形误差与温度之间的关系模型；二是利用位移传感器测量工件尺寸变化间接获得机床热变形误差。利用温度传感器测量机床关键部位温度而建立的机床热变形误差与温度之间的关系模型具有一定的实用性，但由于机床材料一致性难以保证，机床零部件各部位热变形程度不同，且机床经常会处于空闲状态，机床关键零部件的温度变化规律难以掌控，导致不能准确建立机床关键部位温度与机床热变形误差之间的关系模型；利用位移传感器测量大多是通过离线测量被加工工件的特征尺寸，间接获取机床热变形误差，是因为传统湿切过程中油雾会干扰激光位移传感器的测量，但由于离线测量被加工齿轮工件特征尺寸(如公法线、齿根圆等)费时且会产生人工测量误差使精度难以保证，同时由于没有考虑被加工工件受热膨胀的变形误差，因此机床热变形误差测量及补偿精度不高，被加工工件的精度难以保证。干切机床消除了传统机床对切削液的依赖，实现了清洁、环保、绿色加工，为本发明提出的热变形误差在机实时补偿提供了实现条件。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种干切数控滚齿机床径向热变形误差在机实时补偿方法，该补偿方法用于解决干切数控滚齿机床滚切加工过程中机床热变形导致的工件尺寸精度及尺寸一致性的问题，以保证干切数控滚齿机床滚切加工工艺性能。

为实现本发明目的而采用的技术方案是这样的，一种干切数控滚齿机床径向热变形误差在机实时补偿方法，其特征在于，包括以下部分：

1)设定测量过程

1.1)测量齿轮齿根圆半径

利用激光位移传感器，通过三角测量法测量第m个刚加工完的齿轮工件的径向轮廓半径，m为干切数控滚齿机床加工的齿轮工件的顺序编号。

所述激光位移传感器的发射窗口(101)与齿轮工件的旋转轴线相距L。所述激光位移传感器的发射光束垂直指向齿轮工件的旋转轴线。

所述齿轮工件齿数为z，齿轮工件在工作台上以转速n(r/min)旋转，激光位移传感器的采样频率为f(次/s)，采样工件旋转圈数为T，则激光位移传感器采样点总数为N：

激光位移传感器测量的直接数据为激光位移传感器的发射窗口(101)与齿轮工件轮廓的距离则可计算出第m个齿轮工件的第i个径向轮廓半径为：

计算得到第m个齿轮工件的所有径向轮廓半径数据集将R按时间先后顺序分为p＝T×z个区间，则每个区间包含个径向轮廓半径数据，取各区间中的最小值，形成数据集

通过聚类算法去除S中的奇异值点后，求得平均值所述平均值即为第m个齿轮工件的齿根圆半径测量值。

1.2)获得齿轮径向热变形误差

利用红外温度传感器测量刚加工完的第m个齿轮工件的温度T_m。

根据齿轮工件材料确定齿轮的热膨胀系数α，将齿轮工件径向温度分布考虑为线性分布，则分布函数为：

其中，T_b为基准点温度，为齿轮内孔半径值，y表示齿轮径向某一点所在圆的半径值，k为齿轮径向温度线性分布系数，为齿根圆半径值；

设室温为T_a，则第m个齿轮工件径向热变形误差为：

2)在线补偿过程

2.1)确定标定值

m＝1时，进行1)中的步骤1.1)和1.2)，得到第一个加工的齿轮工件的齿根圆半径值以及径向热变形误差为，最后将和的差值作为齿根圆半径标定值r_f：

2.2)确定后续齿轮工件加工的补偿量

当m≥2时，进行1)中的步骤1.1)和1.2)，得到第m个加工的齿轮工件的齿根圆半径值以及径向热变形误差为

干切数控滚齿机床滚切加工齿轮工件径向综合加工热变形误差包括干切数控滚齿机床径向热变形误差和工件热膨胀变形误差，计算第m个齿轮工件的齿根圆半径测量值和标定值的差值：

其中Δ_m为第m个齿轮工件径向综合加工热变形误差，r_f为标定值。

根据第m个被加工齿轮工件的热变形误差计算获得加工第m个齿轮工件时的机床径向热变形误差Δ_mT：

根据步骤2.1)被标定的齿轮工件的齿根圆半径误差上限(USL)及误差下限(LSL)确定齿根圆尺寸误差容许范围；比较干切数控滚齿机床加工第m个齿轮工件时径向热变形误差Δ_mT与步骤2.1)所标定齿轮工件的齿根圆半径误差上限(USL)及误差下限(LSL)，得出干切数控滚齿机床加工第m+1个齿轮工件时的补偿量；由于干切数控滚齿机床径向热变形误差是随加工时间增加而逐步累积的，是一个渐变过程，因此本发明将分别和作为干切数控滚齿机床径向热变形误差补偿的上限和下限；若则滚刀径向补偿量为δ＝|Δ_mT|；若滚刀径向补偿量为δ＝-|Δ_mT|；若则滚刀径向补偿量为0；

2.3)将步骤2.2)确定的第m个齿轮工件加工的滚刀径向补偿量转化为干切数控滚齿机床滚刀半径补偿代码，反馈到干切数控滚齿机床的数控系统，对第m+1个齿轮工件的加工进行在线补偿；

2.4)第m+1个齿轮工件加工完成时，用m+1更新m，重复步骤2.2)和步骤2.3)。

本发明的技术效果是毋庸置疑的，干切机床热变形误差在机实时补偿是通过激光位移传感器和红外温度传感器分别检测被加工工件径向轮廓尺寸和温度的变化对机床热变形误差进行测量，并通过特征尺寸筛选和聚类分析等方法获取特征部位尺寸变量，然后建立特征部位尺寸变量与干切机床热变形误差之间的关系模型，最后通过测量计算的实时热变形误差，实现干切机床加工过程中的在机实时补偿。通过本发明所提出的误差在机实时补偿方法可以快速、准确地获得干切数控滚齿机床在加工过程中的热变形误差，并对干切数控滚齿机床的热变形误差进行在机实时补偿，可以有效地降低干切数控滚齿机床在加工过程中的废品率，同时也缩短了获取机床热变形误差测量的时间。

附图说明

图1为本发明的原理图；

图2为干切数控滚齿机床径向热变形误差计算示意图；

图3为齿轮工件热变形测量示意图；

图4为激光位移传感器与红外温度传感器安装示意图；

图5为激光位移传感器与红外温度传感器安装示意图；

图6为齿轮工件半径值测量的示意图；

图7为标定齿轮工件时齿根圆半径测量值；

图8为第20个和第50个被加工齿轮齿根圆半径测量值。

图中：激光位移传感器1，发射窗口101，接收窗口102，红外温度传感器2，齿轮工件3，工作台4，数据采集卡5，计算机6，机床数控系统7。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明作进一步说明，但不应该理解为本发明上述主题范围仅限于下述实施例。在不脱离本发明上述技术思想的情况下，根据本领域普通技术知识和惯用手段，做出各种替换和变更，均应包括在本发明的保护范围内。

一种干切数控滚齿机床径向热变形误差在机实时补偿方法，其特征在于，包括以下部分：

1)设定测量过程

1.1)测量齿轮齿根圆半径

利用激光位移传感器1测量位于o-X_gY_gZ_g坐标系中的第m个刚加工完的齿轮工件3的径向轮廓半径，m为自然数，所述齿轮工件3的旋转轴线与o-X_gY_gZ_g坐标系的Y_g轴重合，所述o-X_gY_gZ_g坐标系的X_gZ_g平面与齿轮工件3的端面平行。所述齿轮工件3固定于工作台4上。所述激光位移传感器1的发射光束垂直指向齿轮工件3的旋转轴线，所述激光位移传感器1的发射光束和接收光束所在的平面记为平面A，所述平面A与o-X_gY_gZ_g坐标系的X_gY_g平面之间的夹角与齿轮工件3的螺旋角一致。

利用激光位移传感器1，通过三角测量法测量第m个刚加工完的齿轮工件3的径向轮廓半径，m为干切数控滚齿机床加工的齿轮工件3的顺序编号。

所述激光位移传感器1的发射窗口(101)与齿轮工件3的旋转轴线相距L。所述激光位移传感器1的发射光束垂直指向齿轮工件3的旋转轴线。值得说明的是，所述激光位移传感器1的发射器与接收器之间的连线记为线段A。所述线段A的长度方向与齿轮工件3的螺旋线方向保持一致使得齿根部被照射时，反射光束能够不被轮齿遮挡，直接被接收器捕捉，进而测量出齿根部到齿轮中心的距离。

所述齿轮工件3齿数为z，齿轮工件3在工作台4上以转速nr/min旋转，激光位移传感器1的采样频率为f(次/s)，采样工件旋转圈数为T，则激光位移传感器1采样点总数为N：

激光位移传感器1测量的直接数据为激光位移传感器1的发射窗口(101)与齿轮工件3轮廓的距离则可计算出第m个齿轮工件3的第i个径向轮廓半径为：

计算得到第m个齿轮工件3的所有径向轮廓半径数据集将R按时间先后顺序分为p＝T×z个区间，则每个区间包含个径向轮廓半径数据，取各区间中的最小值，形成数据集

通过聚类算法去除S中的奇异值点后，求得平均值所述平均值即为第m个齿轮工件3的齿根圆半径测量值。

1.2)获得齿轮径向热变形误差

利用红外温度传感器2测量刚加工完的第m个齿轮工件3的温度T_m。

根据齿轮工件3材料确定齿轮的热膨胀系数α，将齿轮工件3径向温度分布考虑为线性分布，则分布函数为：

其中，T_b为基准点温度，为齿轮内孔半径值，y表示齿轮径向某一点所在圆的半径值，k为齿轮径向温度线性分布系数，为齿根圆半径值：

设室温为T_a，则第m个齿轮工件3径向热变形误差为：

2)在线补偿过程

2.1)确定标定值

m＝1时，进行1)中的步骤1.1)和1.2)，得到第一个加工的齿轮工件3的齿根圆半径值以及径向热变形误差为最后计算和的差值作为齿根圆半径标定值r_f：

2.2)确定后续齿轮工件3加工的补偿量

当m≥2时，进行1)中的步骤1.1)和1.2)，得到第m个加工的齿轮工件3的齿根圆半径值以及径向热变形误差为

干切数控滚齿机床滚切加工齿轮工件3径向综合加工热变形误差包括干切数控滚齿机床径向热变形误差和工件热膨胀变形误差，计算第m个齿轮工件3的齿根圆半径测量值和标定值的差值：

其中Δ_m为第m个齿轮工件3径向综合加工热变形误差，r_f为标定值。

根据第m个被加工齿轮工件3的热变形误差计算获得加工第m个齿轮工件3时的机床径向热变形误差Δ_mT：

根据被标定的齿轮工件3的齿根圆半径误差上限(USL)及误差下限(LSL)确定齿根圆尺寸误差容许范围；比较干切数控滚齿机床加工第m个齿轮工件3时径向热变形误差Δ_mT与被标定的齿轮工件3的齿根圆半径误差上限及误差下限，得出加工第m+1个齿轮工件3时的补偿量。若则滚刀径向补偿量为δ＝|Δ_mT|。若滚刀径向补偿量为δ＝-|Δ_mT|。若则滚刀径向补偿量为0。

2.3)将步骤2.2)确定的第m个齿轮工件3加工的滚刀径向补偿量转化为干切数控滚齿机床滚刀半径补偿代码，反馈到干切数控滚齿机床的数控系统7，对第m+1个齿轮工件3的加工进行在线补偿；

2.4)第m+1个齿轮工件3加工完成时，用m+1更新m，重复步骤2.2)和步骤2.3)。

实施例2

本实施例的主要部分同实施例1，具体使用汽车变速箱斜齿轮工件作为被加工齿轮工件3，直齿轮工件的分析原理等同，具体包括如下步骤：

1)被加工齿轮工件3为斜齿轮，模数为2mm，齿数为41，螺旋角为30°(左旋)，内孔径为30mm，被加工斜齿轮齿根圆半径为44.457mm，激光位移传感器1测量范围为30±4mm，激光位移传感器1安装距离设定为76mm；

2)根据被加工斜齿轮螺旋角及旋向，调整激光位移传感器1的安装方向，使激光位移传感器1投射光束与接收光束所组成的三角平面与被加工齿轮工件3的齿向方向保持一致；

3)干切数控滚齿机床开机开始加工时，首先进行齿轮工件3的试切以调整机床各参数；通过试切齿轮工件3调整机床参数完成后，开始加工齿轮工件3，测得第一个被加工斜齿轮工件3的齿根圆半径值为44.465mm，如图5所示，被加工斜齿轮温度为51℃，室温为20℃；则被加工斜齿轮工件3热膨胀变形误差为：

则齿根圆半径标定值r_f为44.460mm；

4)利用激光位移传感器1分别测量第20件与第50件被加工齿轮齿根圆半径其值分别为将被加工齿轮齿根圆半径值与该批次齿根工件齿根圆半径标定值r_f＝44.460mm进行比较获得干切数控滚齿机床滚切加工齿轮工件3的径向综合加工热变形误差，Δ₂₀＝(44.473-44.460)mm＝0.013mm，Δ₅₀＝(44.482-44.460)mm＝0.022mm；同时利用红外温度传感器2测量被加工齿轮工件3的温度以计算工件的热膨胀变形误差，其温度值分别为T₂₀＝55.9℃，T₅₀＝58.8℃，由于压缩空气的对流换热作用，机床内部空间环境的温度变化范围约为2℃，因此基准点b处的温度在后续的加工过程中可以认为接近于室温，工件热变形量分别为Δ_20TWf＝0.006mm，Δ_50TWf＝0.0064mm计算出干切数控滚齿机床滚切加工齿轮工件3过程中的径向热变形误差：

Δ_20T＝Δ₂₀-Δ_20TWf＝0.013-0.006＝0.007mm

Δ_50T＝Δ₅₀-Δ_50TWf＝0.022-0.0064＝0.0156mm

5)根据被标定齿轮工件3齿根圆半径误差上限(USL)及误差下限(LSL)确定齿根圆尺寸误差容许范围由于Δ_20T＞0，Δ_50T＞0，故应将计算的干切数控滚齿机床径向热变形误差与进行比较，即与进行比较，Δ_20T＝0.007mm＞0.006mm，Δ_50T＝0.0156mm＞0.006mm，则δ₂₀＝0.007mm，δ₅₀＝0.016mm。

6)所述激光位移传感器1和红外温度传感器2采集的数据记录在数据采集卡5中，并由数据采集卡5将数据传输至计算机6，由计算机6完成误差的计算工作，最后将计算机6所得出的偏差补偿值输入机床数控系统7，转化为干切数控滚齿机床滚刀半径补偿代码，滚刀实际直径尺寸为80mm，则第20个被加工齿轮工件3对应的干切数控滚齿机床径向热变形误差转化为滚刀半径补偿后，滚刀的直径为79.986mm；第50个被加工齿轮工件3对应的干切数控滚齿机床径向热变形误差转化为滚刀半径补偿后，滚刀的直径为79.968mm。从而实现干切数控滚齿机床径向热变形误差在机实时补偿。