本發(fā)明涉及干切數(shù)控滾齒機(jī)床加工技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及干切數(shù)控滾齒加工過程中對干切數(shù)控滾齒機(jī)床熱變形誤差進(jìn)行在機(jī)實(shí)時(shí)補(bǔ)償?shù)难a(bǔ)償方法。

背景技術(shù)：

近年來，干式切削技術(shù)得到了突飛猛進(jìn)的發(fā)展，干式切削取消了傳統(tǒng)切削過程中切削油液的使用，是一種典型的綠色環(huán)保的可持續(xù)切削加工工藝。但由于取消了切削油液的使用，使得干切機(jī)床在加工過程中熱變形較嚴(yán)重，熱穩(wěn)定性難以保證，導(dǎo)致被加工工件的尺寸精度及尺寸一致性難以控制。

干切機(jī)床在運(yùn)行工作過程中，由于機(jī)床各軸電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)、軸承和導(dǎo)軌運(yùn)動(dòng)、切削加工等在機(jī)床中產(chǎn)生了大量的熱量，而且切削區(qū)產(chǎn)生的熱量一部分以切屑、空氣對流等方式被帶走，其余部分的熱量分布在刀具，被加工工件以及機(jī)床中。熱量在產(chǎn)生以及傳導(dǎo)的過程中會(huì)導(dǎo)致干切機(jī)床內(nèi)部溫度逐漸升高，從而使干切機(jī)床零部件發(fā)生不同程度的變形，影響機(jī)床的運(yùn)行加工精度，機(jī)床的加工精度會(huì)直接反映到被加工工件的精度上。

現(xiàn)有的機(jī)床熱變形誤差補(bǔ)償方法主要有兩種方式，一是利用溫度傳感器測量機(jī)床關(guān)鍵部位溫度建立機(jī)床熱變形誤差與溫度之間的關(guān)系模型；二是利用位移傳感器測量工件尺寸變化間接獲得機(jī)床熱變形誤差。利用溫度傳感器測量機(jī)床關(guān)鍵部位溫度而建立的機(jī)床熱變形誤差與溫度之間的關(guān)系模型具有一定的實(shí)用性，但由于機(jī)床材料一致性難以保證，機(jī)床零部件各部位熱變形程度不同，且機(jī)床經(jīng)常會(huì)處于空閑狀態(tài)，機(jī)床關(guān)鍵零部件的溫度變化規(guī)律難以掌控，導(dǎo)致不能準(zhǔn)確建立機(jī)床關(guān)鍵部位溫度與機(jī)床熱變形誤差之間的關(guān)系模型；利用位移傳感器測量大多是通過離線測量被加工工件的特征尺寸，間接獲取機(jī)床熱變形誤差，是因?yàn)閭鹘y(tǒng)濕切過程中油霧會(huì)干擾激光位移傳感器的測量，但由于離線測量被加工齒輪工件特征尺寸(如公法線、齒根圓等)費(fèi)時(shí)且會(huì)產(chǎn)生人工測量誤差使精度難以保證，同時(shí)由于沒有考慮被加工工件受熱膨脹的變形誤差，因此機(jī)床熱變形誤差測量及補(bǔ)償精度不高，被加工工件的精度難以保證。干切機(jī)床消除了傳統(tǒng)機(jī)床對切削液的依賴，實(shí)現(xiàn)了清潔、環(huán)保、綠色加工，為本發(fā)明提出的熱變形誤差在機(jī)實(shí)時(shí)補(bǔ)償提供了實(shí)現(xiàn)條件。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是提供一種干切數(shù)控滾齒機(jī)床徑向熱變形誤差在機(jī)實(shí)時(shí)補(bǔ)償方法，該補(bǔ)償方法用于解決干切數(shù)控滾齒機(jī)床滾切加工過程中機(jī)床熱變形導(dǎo)致的工件尺寸精度及尺寸一致性的問題，以保證干切數(shù)控滾齒機(jī)床滾切加工工藝性能。

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)床徑向熱變形誤差在機(jī)實(shí)時(shí)補(bǔ)償方法，其特征在于，包括以下部分：

1)設(shè)定測量過程

1.1)測量齒輪齒根圓半徑

利用激光位移傳感器，通過三角測量法測量第m個(gè)剛加工完的齒輪工件的徑向輪廓半徑，m為干切數(shù)控滾齒機(jī)床加工的齒輪工件的順序編號。

所述激光位移傳感器的發(fā)射窗口(101)與齒輪工件的旋轉(zhuǎn)軸線相距L。所述激光位移傳感器的發(fā)射光束垂直指向齒輪工件的旋轉(zhuǎn)軸線。

所述齒輪工件齒數(shù)為z，齒輪工件在工作臺上以轉(zhuǎn)速n(r/min)旋轉(zhuǎn)，激光位移傳感器的采樣頻率為f(次/s)，采樣工件旋轉(zhuǎn)圈數(shù)為T，則激光位移傳感器采樣點(diǎn)總數(shù)為N：

激光位移傳感器測量的直接數(shù)據(jù)為激光位移傳感器的發(fā)射窗口(101)與齒輪工件輪廓的距離則可計(jì)算出第m個(gè)齒輪工件的第i個(gè)徑向輪廓半徑為：

計(jì)算得到第m個(gè)齒輪工件的所有徑向輪廓半徑數(shù)據(jù)集將R按時(shí)間先后順序分為p＝T×z個(gè)區(qū)間，則每個(gè)區(qū)間包含個(gè)徑向輪廓半徑數(shù)據(jù)，取各區(qū)間中的最小值，形成數(shù)據(jù)集

通過聚類算法去除S中的奇異值點(diǎn)后，求得平均值所述平均值即為第m個(gè)齒輪工件的齒根圓半徑測量值。

1.2)獲得齒輪徑向熱變形誤差

利用紅外溫度傳感器測量剛加工完的第m個(gè)齒輪工件的溫度T_m。

根據(jù)齒輪工件材料確定齒輪的熱膨脹系數(shù)α，將齒輪工件徑向溫度分布考慮為線性分布，則分布函數(shù)為：

其中，T_b為基準(zhǔn)點(diǎn)溫度，為齒輪內(nèi)孔半徑值，y表示齒輪徑向某一點(diǎn)所在圓的半徑值，k為齒輪徑向溫度線性分布系數(shù)，為齒根圓半徑值；

設(shè)室溫為T_a，則第m個(gè)齒輪工件徑向熱變形誤差為：

2)在線補(bǔ)償過程

2.1)確定標(biāo)定值

m＝1時(shí)，進(jìn)行1)中的步驟1.1)和1.2)，得到第一個(gè)加工的齒輪工件的齒根圓半徑值以及徑向熱變形誤差為，最后將和的差值作為齒根圓半徑標(biāo)定值r_f：

2.2)確定后續(xù)齒輪工件加工的補(bǔ)償量

當(dāng)m≥2時(shí)，進(jìn)行1)中的步驟1.1)和1.2)，得到第m個(gè)加工的齒輪工件的齒根圓半徑值以及徑向熱變形誤差為

干切數(shù)控滾齒機(jī)床滾切加工齒輪工件徑向綜合加工熱變形誤差包括干切數(shù)控滾齒機(jī)床徑向熱變形誤差和工件熱膨脹變形誤差，計(jì)算第m個(gè)齒輪工件的齒根圓半徑測量值和標(biāo)定值的差值：

其中Δ_m為第m個(gè)齒輪工件徑向綜合加工熱變形誤差，r_f為標(biāo)定值。

根據(jù)第m個(gè)被加工齒輪工件的熱變形誤差計(jì)算獲得加工第m個(gè)齒輪工件時(shí)的機(jī)床徑向熱變形誤差Δ_mT：

根據(jù)步驟2.1)被標(biāo)定的齒輪工件的齒根圓半徑誤差上限(USL)及誤差下限(LSL)確定齒根圓尺寸誤差容許范圍；比較干切數(shù)控滾齒機(jī)床加工第m個(gè)齒輪工件時(shí)徑向熱變形誤差Δ_mT與步驟2.1)所標(biāo)定齒輪工件的齒根圓半徑誤差上限(USL)及誤差下限(LSL)，得出干切數(shù)控滾齒機(jī)床加工第m+1個(gè)齒輪工件時(shí)的補(bǔ)償量；由于干切數(shù)控滾齒機(jī)床徑向熱變形誤差是隨加工時(shí)間增加而逐步累積的，是一個(gè)漸變過程，因此本發(fā)明將分別和作為干切數(shù)控滾齒機(jī)床徑向熱變形誤差補(bǔ)償?shù)纳舷藓拖孪蓿蝗魟t滾刀徑向補(bǔ)償量為δ＝|Δ_mT|；若滾刀徑向補(bǔ)償量為δ＝-|Δ_mT|；若則滾刀徑向補(bǔ)償量為0；

2.3)將步驟2.2)確定的第m個(gè)齒輪工件加工的滾刀徑向補(bǔ)償量轉(zhuǎn)化為干切數(shù)控滾齒機(jī)床滾刀半徑補(bǔ)償代碼，反饋到干切數(shù)控滾齒機(jī)床的數(shù)控系統(tǒng)，對第m+1個(gè)齒輪工件的加工進(jìn)行在線補(bǔ)償；

2.4)第m+1個(gè)齒輪工件加工完成時(shí)，用m+1更新m，重復(fù)步驟2.2)和步驟2.3)。

本發(fā)明的技術(shù)效果是毋庸置疑的，干切機(jī)床熱變形誤差在機(jī)實(shí)時(shí)補(bǔ)償是通過激光位移傳感器和紅外溫度傳感器分別檢測被加工工件徑向輪廓尺寸和溫度的變化對機(jī)床熱變形誤差進(jìn)行測量，并通過特征尺寸篩選和聚類分析等方法獲取特征部位尺寸變量，然后建立特征部位尺寸變量與干切機(jī)床熱變形誤差之間的關(guān)系模型，最后通過測量計(jì)算的實(shí)時(shí)熱變形誤差，實(shí)現(xiàn)干切機(jī)床加工過程中的在機(jī)實(shí)時(shí)補(bǔ)償。通過本發(fā)明所提出的誤差在機(jī)實(shí)時(shí)補(bǔ)償方法可以快速、準(zhǔn)確地獲得干切數(shù)控滾齒機(jī)床在加工過程中的熱變形誤差，并對干切數(shù)控滾齒機(jī)床的熱變形誤差進(jìn)行在機(jī)實(shí)時(shí)補(bǔ)償，可以有效地降低干切數(shù)控滾齒機(jī)床在加工過程中的廢品率，同時(shí)也縮短了獲取機(jī)床熱變形誤差測量的時(shí)間。

附圖說明

圖1為本發(fā)明的原理圖；

圖2為干切數(shù)控滾齒機(jī)床徑向熱變形誤差計(jì)算示意圖；

圖3為齒輪工件熱變形測量示意圖；

圖4為激光位移傳感器與紅外溫度傳感器安裝示意圖；

圖5為激光位移傳感器與紅外溫度傳感器安裝示意圖；

圖6為齒輪工件半徑值測量的示意圖；

圖7為標(biāo)定齒輪工件時(shí)齒根圓半徑測量值；

圖8為第20個(gè)和第50個(gè)被加工齒輪齒根圓半徑測量值。

圖中：激光位移傳感器1，發(fā)射窗口101，接收窗口102，紅外溫度傳感器2，齒輪工件3，工作臺4，數(shù)據(jù)采集卡5，計(jì)算機(jī)6，機(jī)床數(shù)控系統(tǒng)7。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合實(shí)施例對本發(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)。

一種干切數(shù)控滾齒機(jī)床徑向熱變形誤差在機(jī)實(shí)時(shí)補(bǔ)償方法，其特征在于，包括以下部分：

1)設(shè)定測量過程

1.1)測量齒輪齒根圓半徑

利用激光位移傳感器1測量位于o-X_gY_gZ_g坐標(biāo)系中的第m個(gè)剛加工完的齒輪工件3的徑向輪廓半徑，m為自然數(shù)，所述齒輪工件3的旋轉(zhuǎn)軸線與o-X_gY_gZ_g坐標(biāo)系的Y_g軸重合，所述o-X_gY_gZ_g坐標(biāo)系的X_gZ_g平面與齒輪工件3的端面平行。所述齒輪工件3固定于工作臺4上。所述激光位移傳感器1的發(fā)射光束垂直指向齒輪工件3的旋轉(zhuǎn)軸線，所述激光位移傳感器1的發(fā)射光束和接收光束所在的平面記為平面A，所述平面A與o-X_gY_gZ_g坐標(biāo)系的X_gY_g平面之間的夾角與齒輪工件3的螺旋角一致。

利用激光位移傳感器1，通過三角測量法測量第m個(gè)剛加工完的齒輪工件3的徑向輪廓半徑，m為干切數(shù)控滾齒機(jī)床加工的齒輪工件3的順序編號。

所述激光位移傳感器1的發(fā)射窗口(101)與齒輪工件3的旋轉(zhuǎn)軸線相距L。所述激光位移傳感器1的發(fā)射光束垂直指向齒輪工件3的旋轉(zhuǎn)軸線。值得說明的是，所述激光位移傳感器1的發(fā)射器與接收器之間的連線記為線段A。所述線段A的長度方向與齒輪工件3的螺旋線方向保持一致使得齒根部被照射時(shí)，反射光束能夠不被輪齒遮擋，直接被接收器捕捉，進(jìn)而測量出齒根部到齒輪中心的距離。

所述齒輪工件3齒數(shù)為z，齒輪工件3在工作臺4上以轉(zhuǎn)速nr/min旋轉(zhuǎn)，激光位移傳感器1的采樣頻率為f(次/s)，采樣工件旋轉(zhuǎn)圈數(shù)為T，則激光位移傳感器1采樣點(diǎn)總數(shù)為N：

激光位移傳感器1測量的直接數(shù)據(jù)為激光位移傳感器1的發(fā)射窗口(101)與齒輪工件3輪廓的距離則可計(jì)算出第m個(gè)齒輪工件3的第i個(gè)徑向輪廓半徑為：

計(jì)算得到第m個(gè)齒輪工件3的所有徑向輪廓半徑數(shù)據(jù)集將R按時(shí)間先后順序分為p＝T×z個(gè)區(qū)間，則每個(gè)區(qū)間包含個(gè)徑向輪廓半徑數(shù)據(jù)，取各區(qū)間中的最小值，形成數(shù)據(jù)集

通過聚類算法去除S中的奇異值點(diǎn)后，求得平均值所述平均值即為第m個(gè)齒輪工件3的齒根圓半徑測量值。

1.2)獲得齒輪徑向熱變形誤差

利用紅外溫度傳感器2測量剛加工完的第m個(gè)齒輪工件3的溫度T_m。

根據(jù)齒輪工件3材料確定齒輪的熱膨脹系數(shù)α，將齒輪工件3徑向溫度分布考慮為線性分布，則分布函數(shù)為：

其中，T_b為基準(zhǔn)點(diǎn)溫度，為齒輪內(nèi)孔半徑值，y表示齒輪徑向某一點(diǎn)所在圓的半徑值，k為齒輪徑向溫度線性分布系數(shù)，為齒根圓半徑值：

設(shè)室溫為T_a，則第m個(gè)齒輪工件3徑向熱變形誤差為：

2)在線補(bǔ)償過程

2.1)確定標(biāo)定值

m＝1時(shí)，進(jìn)行1)中的步驟1.1)和1.2)，得到第一個(gè)加工的齒輪工件3的齒根圓半徑值以及徑向熱變形誤差為最后計(jì)算和的差值作為齒根圓半徑標(biāo)定值r_f：

2.2)確定后續(xù)齒輪工件3加工的補(bǔ)償量

當(dāng)m≥2時(shí)，進(jìn)行1)中的步驟1.1)和1.2)，得到第m個(gè)加工的齒輪工件3的齒根圓半徑值以及徑向熱變形誤差為

干切數(shù)控滾齒機(jī)床滾切加工齒輪工件3徑向綜合加工熱變形誤差包括干切數(shù)控滾齒機(jī)床徑向熱變形誤差和工件熱膨脹變形誤差，計(jì)算第m個(gè)齒輪工件3的齒根圓半徑測量值和標(biāo)定值的差值：

其中Δ_m為第m個(gè)齒輪工件3徑向綜合加工熱變形誤差，r_f為標(biāo)定值。

根據(jù)第m個(gè)被加工齒輪工件3的熱變形誤差計(jì)算獲得加工第m個(gè)齒輪工件3時(shí)的機(jī)床徑向熱變形誤差Δ_mT：

根據(jù)被標(biāo)定的齒輪工件3的齒根圓半徑誤差上限(USL)及誤差下限(LSL)確定齒根圓尺寸誤差容許范圍；比較干切數(shù)控滾齒機(jī)床加工第m個(gè)齒輪工件3時(shí)徑向熱變形誤差Δ_mT與被標(biāo)定的齒輪工件3的齒根圓半徑誤差上限及誤差下限，得出加工第m+1個(gè)齒輪工件3時(shí)的補(bǔ)償量。若則滾刀徑向補(bǔ)償量為δ＝|Δ_mT|。若滾刀徑向補(bǔ)償量為δ＝-|Δ_mT|。若則滾刀徑向補(bǔ)償量為0。

2.3)將步驟2.2)確定的第m個(gè)齒輪工件3加工的滾刀徑向補(bǔ)償量轉(zhuǎn)化為干切數(shù)控滾齒機(jī)床滾刀半徑補(bǔ)償代碼，反饋到干切數(shù)控滾齒機(jī)床的數(shù)控系統(tǒng)7，對第m+1個(gè)齒輪工件3的加工進(jìn)行在線補(bǔ)償；

2.4)第m+1個(gè)齒輪工件3加工完成時(shí)，用m+1更新m，重復(fù)步驟2.2)和步驟2.3)。

實(shí)施例2

本實(shí)施例的主要部分同實(shí)施例1，具體使用汽車變速箱斜齒輪工件作為被加工齒輪工件3，直齒輪工件的分析原理等同，具體包括如下步驟：

1)被加工齒輪工件3為斜齒輪，模數(shù)為2mm，齒數(shù)為41，螺旋角為30°(左旋)，內(nèi)孔徑為30mm，被加工斜齒輪齒根圓半徑為44.457mm，激光位移傳感器1測量范圍為30±4mm，激光位移傳感器1安裝距離設(shè)定為76mm；

2)根據(jù)被加工斜齒輪螺旋角及旋向，調(diào)整激光位移傳感器1的安裝方向，使激光位移傳感器1投射光束與接收光束所組成的三角平面與被加工齒輪工件3的齒向方向保持一致；

3)干切數(shù)控滾齒機(jī)床開機(jī)開始加工時(shí)，首先進(jìn)行齒輪工件3的試切以調(diào)整機(jī)床各參數(shù)；通過試切齒輪工件3調(diào)整機(jī)床參數(shù)完成后，開始加工齒輪工件3，測得第一個(gè)被加工斜齒輪工件3的齒根圓半徑值為44.465mm，如圖5所示，被加工斜齒輪溫度為51℃，室溫為20℃；則被加工斜齒輪工件3熱膨脹變形誤差為：

則齒根圓半徑標(biāo)定值r_f為44.460mm；

4)利用激光位移傳感器1分別測量第20件與第50件被加工齒輪齒根圓半徑其值分別為將被加工齒輪齒根圓半徑值與該批次齒根工件齒根圓半徑標(biāo)定值r_f＝44.460mm進(jìn)行比較獲得干切數(shù)控滾齒機(jī)床滾切加工齒輪工件3的徑向綜合加工熱變形誤差，Δ₂₀＝(44.473-44.460)mm＝0.013mm，Δ₅₀＝(44.482-44.460)mm＝0.022mm；同時(shí)利用紅外溫度傳感器2測量被加工齒輪工件3的溫度以計(jì)算工件的熱膨脹變形誤差，其溫度值分別為T₂₀＝55.9℃，T₅₀＝58.8℃，由于壓縮空氣的對流換熱作用，機(jī)床內(nèi)部空間環(huán)境的溫度變化范圍約為2℃，因此基準(zhǔn)點(diǎn)b處的溫度在后續(xù)的加工過程中可以認(rèn)為接近于室溫，工件熱變形量分別為Δ_20TWf＝0.006mm，Δ_50TWf＝0.0064mm計(jì)算出干切數(shù)控滾齒機(jī)床滾切加工齒輪工件3過程中的徑向熱變形誤差：

Δ_20T＝Δ₂₀-Δ_20TWf＝0.013-0.006＝0.007mm

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

5)根據(jù)被標(biāo)定齒輪工件3齒根圓半徑誤差上限(USL)及誤差下限(LSL)確定齒根圓尺寸誤差容許范圍由于Δ_20T＞0，Δ_50T＞0，故應(yīng)將計(jì)算的干切數(shù)控滾齒機(jī)床徑向熱變形誤差與進(jìn)行比較，即與進(jìn)行比較，Δ_20T＝0.007mm＞0.006mm，Δ_50T＝0.0156mm＞0.006mm，則δ₂₀＝0.007mm，δ₅₀＝0.016mm。

6)所述激光位移傳感器1和紅外溫度傳感器2采集的數(shù)據(jù)記錄在數(shù)據(jù)采集卡5中，并由數(shù)據(jù)采集卡5將數(shù)據(jù)傳輸至計(jì)算機(jī)6，由計(jì)算機(jī)6完成誤差的計(jì)算工作，最后將計(jì)算機(jī)6所得出的偏差補(bǔ)償值輸入機(jī)床數(shù)控系統(tǒng)7，轉(zhuǎn)化為干切數(shù)控滾齒機(jī)床滾刀半徑補(bǔ)償代碼，滾刀實(shí)際直徑尺寸為80mm，則第20個(gè)被加工齒輪工件3對應(yīng)的干切數(shù)控滾齒機(jī)床徑向熱變形誤差轉(zhuǎn)化為滾刀半徑補(bǔ)償后，滾刀的直徑為79.986mm；第50個(gè)被加工齒輪工件3對應(yīng)的干切數(shù)控滾齒機(jī)床徑向熱變形誤差轉(zhuǎn)化為滾刀半徑補(bǔ)償后，滾刀的直徑為79.968mm。從而實(shí)現(xiàn)干切數(shù)控滾齒機(jī)床徑向熱變形誤差在機(jī)實(shí)時(shí)補(bǔ)償。