一种工件切削加工热误差测量装置的制造方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种工件切削加工热误差测量装置。
【背景技术】
[0002] 金属加工过程中会产生大量的切削热，其中一部分切削热传入工件，使工件产生 热膨胀变形。在精密加工领域，工件的热变形对加工精度影响很大，因而这种由切削热引起 的工件热变形在很多情况下无法被忽视。通常采用实测方法或者以有限元分析为代表的数 值计算方法来获得工件加工热误差。实测方法是获取热误差值最为直接的方法，然而在工 件实际加工误差中除了由切削热引起的热变形误差之外，还包括由切削力引起的误差以及 机床本身的误差等，实测方法很难将热变形误差单独区分开来。有限元分析方法是目前最 常用的数值计算方法，可以对加工进行有效指导，但是由于分析模型是在实际加工工况的 基础上做了大量简化，其准确性与精度难以保证，另外有限元分析很难做到实时性。
【发明内容】
[0003] 本发明为解决上述现有技术中存在的技术问题，综合实测法和有限元分析方法的 优点，提供一种工件切削加工热误差测量装置。使用测温仪对加工过程中工件温度场进行 实时测量，结合热误差计算模型，计算出工件加工过程中热误差值。
[0004] 为达到上述目的，本发明的构思如下： 一种工件切削加工热误差测量装置，用于测量加工过程中由切削热引起的工件热变形 误差。所述工件切削加工热误差测量装置包括工件表面温度场实时测量模块，数据采集与 处理模块，热误差预测模型以及热误差计算模块。所述工件表面温度场实时测量模块对切 削过程中工件表面温度进行实时测量。所述数据采集与处理模块对测量的温度数据进行实 时采集，并经过适当处理后输入所述热误差计算模块。在所述热误差计算模块中，结合所述 热误差预测模型，计算出工件加工过程中热误差值。
[0005] 根据上述发明构思，本发明采用下述技术方案： 一种工件切削加工热误差测量装置，包括工件表面温度场实时测量模块，数据采集与 处理模块和热误差计算模块，其特征在于：所述工件表面温度场实时测量模块的输出经数 据采集与处理模块接入热误差计算模块；所述工件温度场实时测量模块对切削过程中工件 表面温度进行实时测量，所述数据采集与处理模块对测量的温度数据进行实时采集，并经 过处理后输入所述热误差计算模块，在所述热误差计算模块中，结合预先植入其中的热误 差预测模型，计算出工件加工过程中热误差值。
[0006] 所述工件表面温度场实时测量模块包含红外测温仪，扫描执行机构，运动控制模 块。所述红外测温仪安装于所述扫描执行机构上，所述扫描执行机构可以是直线滑台或者 摆动机构。所述运动控制模块驱动所述扫描执行机构运动，进而带动所述红外测温仪对工 件表面实行扫描测量温度数据。所述运动控制模块控制所述扫描执行机构的运动特性，从 而实现对所述测温仪测量位置以及扫描速度等实行精确控制。
[0007] 所述工件表面温度场实时测量模块可实现两种温度测量方式：1)对于较长工件， 可利用直线滑台实现快速往复直线扫描测量；2)对于较短工件或者测量曲面，可利用摆动 机构实现快速往复摆动扫描测量。
[0008] 本发明与现有技术相比较，具有如下显而易见的突出实质性特点和显著性技术进 步： 在本发明技术方案中，由于切削过程中工件温度场的变化直接导致了工件热变形，对 工件表面温度场进行测量并将温度数据代入热误差计算模型的方法，可以有效的将热误差 与其他形式的误差区分开来。同时，测温仪对温度数据的扫描测量与采集，具有很强的实时 性。所提出的一种工件温度场测量方法，可以针对不同类型的零件进行温度场的测量，具有 很好的通用性。
【附图说明】
[0009] 图1是本发明的热误差测量装置系统的结构框图。
[0010] 图2是工件表面温度场实时测量模块示意图。
[0011] 图3和图4分别是扫描执行机构的直线滑台和摆动机构两种形式结构示意图。
[0012] 图5是测温仪扫描运动示意图。
【具体实施方式】
[0013] 下面结合附图对本发明的优选实施例作详细说明：下述实施例在以本发明技术方 案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不 限于下述的实施例。
[0014] 实施例一： 参见图1~图4,本工件切削加工热误差测量装置，包括工件表面温度场实时测量模块 (1) ，数据采集与处理模块（2)和热误差计算模块（4)，其特征在于：所述工件表面温度场实 时测量模块（1)的输出经数据采集与处理模块（2)接入热误差计算模块（4);所述工件温度 场实时测量模块（1)对切削过程中工件表面温度进行实时测量，所述数据采集与处理模块 (2) 对测量的温度数据进行实时采集，并经过处理后输入所述热误差计算模块（4)，在所述 热误差计算模块（4 )中，结合预先植入其中的热误差预测模型，计算出工件加工过程中热误 差值。
[0015] 实施例二： 本实施例与实施例一基本相同，特别之处如下： 如图2所示，所述工件温度场实时测量模块（1)包含红外测温仪5,扫描执行机构6和 运动控制模块7,所述红外测温仪5安装于所述扫描执行机构6上，所述扫描执行机构6是 直线滑台或者摆动机构。所述运动控制模块7驱动所述扫描执行机构6运动，进而带动所 述红外测温仪5对工件9表面实行扫描测量温度数据；所述运动控制模块7控制所述扫描 执行机构6的运动特性，从而实现对所述红外测温仪5测量位置以及扫描速度实行精确控 制。
[0016] 所述工件表面温度场实时测量模块（1)可实现两种温度测量方式：1)对于较长工 件，可利用直线滑台实现快速往复直线扫描测量；2)对于较短工件或者测量曲面，可利用摆 动机构实现快速往复摆动扫描测量。
[0017] 实施例三： 如图1所示，本工件切削加工热误差补偿装置由工件表面温度场实时测量模块（1)，数 据采集与处理模块（2)，热误差预测模型（3)，热误差计算模块（4)。所述工件表面温度场实 时测量模块（1)对切削过程中工件表面温度进行实时测量。所述数据采集与处理模块（2) 对测量的温度数据进行实时采集，并经过适当处理后输入所述热误差计算模块（4)。在所述 热误差计算模块中，将数据采集与处理模块（2)输入的温度数据代入所述热误差预测模型 (3)，实时计算出工件加工过程中热误差值。
[0018] 如图2所示，工件温度场实时测量模块示意图，这里扫描执行机构以直线滑台为 例，但本发明中扫描执行机构不局限于直线滑台。在实际切削加工过程中，刀具8沿着工件 9作轴向进给运动。红外测温仪5安装于滑台6的滑块6'上，滑块6'安装于滑台导轨6" 上并可以沿着导轨作往复运动，从而带动红外测温仪5对工件进行扫面测温。滑台6由运 动控制模块7驱动并控制，可以实现设定的各种运动规律。
[0019] 如图3和图4分别示出所述扫描执行机构有直线滑台6 (a)与摆动机构6 (b)两 种形式，从而可实现两种温度测量方式：1)对于较长工件，可利用直线滑台实现快速往复直 线扫描测量；2)对于较短工件或者测量曲面，可利用摆动机构实现快速往复摆动扫描测量。
[0020] 所述滑台可以是数控滑台，或者其他形式滑台。
[0021] 所述红外测温仪5可以采用红外点温仪，也可以采用红外热像仪。根据扫描长度， 测温仪温度数据采样频率，以及刀具进给速率来确定红外测温仪的扫描运动特性。如图5 所示为间歇往复式式扫描，其横轴是工件测温长度，纵轴是时间轴，t n表示第η个扫描周 期，一个扫描周期中包含扫描时间与停止时间。当扫描时间足够短时，可近似认为扫描结果 为某一时刻工件温度场。
[0022] 所述数据采集与处理模块（2)对温度数据进行采集与处理，根据选取的工件表面 测温点数量与位置，以及热误差预测模型结构形式，生成如下温度向量： = A Tj 其中，表示红外测温仪第i次扫描测量工件温度场时，第η个测温点温度值。
[0023] 所述热误差预测模型（3)，可以通过试验或者CAE分析得到，其形式特征如下：
【主权项】
1. 一种工件切削加工热误差测量装置，包括工件表面温度场实时测量模块（1)，数据 采集与处理模块（2)和热误差计算模块（4)，其特征在于：所述工件表面温度场实时测量模 块（1)的输出经数据采集与处理模块（2)接入热误差计算模块（4);所述工件温度场实时 测量模块（1)对切削过程中工件表面温度进行实时测量，所述数据采集与处理模块（2)对 测量的温度数据进行实时采集，并经过处理后输入所述热误差计算模块（4)，在所述热误差 计算模块（4)中，结合预先植入其中的热误差预测模型（3)，计算出工件加工过程中热误差 值。
2. 根据权利要求1所述的工件切削加工热误差测量装置，其特征在于，所述工件温度 场实时测量模块（1)包含红外测温仪（5)，扫描执行机构（6)和运动控制模块（7)，所述红外 测温仪（5)安装于所述扫描执行机构（6)上，所述扫描执行机构（6)是直线滑台或者摆动机 构，所述运动控制模块（7)驱动所述扫描执行机构（6)运动，进而带动所述红外测温仪（5) 对工件（9)表面实行扫描测量温度数据；所述运动控制模块（7)控制所述扫描执行机构（6) 的运动特性，从而实现对所述红外测温仪（5)测量位置以及扫描速度实行精确控制。
3. 根据权利要求2所述的工件切削加工热误差测量装置，其特征在于，所述工件表面 温度场实时测量模块（1)可实现两种温度测量方式：1)对于较长工件，可利用直线滑台实 现快速往复直线扫描测量；2)对于较短工件或者测量曲面，可利用摆动机构实现快速往复 摆动扫描测量。
【专利摘要】本发明公开一种工件切削加工热误差测量装置。它包括工件表面温度场实时测量模块，数据采集与处理模块和热误差计算模块，所述工件表面温度场实时测量模块的输出经数据采集与处理模块接入热误差计算模块；所述工件温度场实时测量模块对切削过程中工件表面温度进行实时测量，所述数据采集与处理模块对测量的温度数据进行实时采集，并经过处理后输入所述热误差计算模块，在所述热误差计算模块中，结合预先植入其中的热误差预测模型，计算出工件加工过程中热误差值。本发明可实现工件切削加工热误差在线测量，可用于工件表面误差监控以及实时误差补偿等方面。
【IPC分类】G01J5-00
【公开号】CN104764527
【申请号】CN201510145703
【发明人】李宝福, 罗峥嵘, 黄宏中
【申请人】上海大学
【公开日】2015年7月8日
【申请日】2015年3月31日