[發(fā)明專利]雙轉臺五軸數(shù)控機床熱誤差建模溫度敏感點的選擇方法

有效

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• 申請日: 2019-03-11
• 公開（公告）號: CN109765846B
• 公開（公告）日: 2022-03-18
• 發(fā)明（設計）人: 劉獻禮;宋厚旺;吳石
• 申請（專利權）人: 哈爾濱理工大學
• 主分類號: G05B19/404
• 分類號: G05B19/404
• 代理公司: 哈爾濱市陽光惠遠知識產權代理有限公司 23211
• 代理人: 鄧宇

本發(fā)明涉及一種雙轉臺五軸數(shù)控機床熱誤差建模溫度敏感點的選擇方法，基于K?means++算法和相關系數(shù)法來識別各個測溫點對機床熱誤差的影響大小。其具體步驟是：1.分析雙轉臺五軸數(shù)控機床的熱源位置及運動部件的特點；2.在機床熱源及運動部件處安裝n個溫度傳感器來測量機床在運行過程中隨時間變化的實時溫度值，同時利用三個電渦流位移傳感器測量機床的熱誤差；3.根據(jù)K?means++算法將n個溫度測點聚類；4.計算n個溫度測點與機床熱誤差的相關系數(shù)，選取聚類分組中相關系數(shù)最大的點作為溫度敏感點；5.利用理論計算主軸的溫度變化及變形，進一步優(yōu)化主軸上的溫度敏感點。該方法將理論計算與傳統(tǒng)的聚類方法相結合，減少了機床溫度測點的數(shù)量，提高了模型的精度。

技術領域

本發(fā)明涉及一種雙轉臺五軸數(shù)控機床切削加工過程中機床熱變形的測量及建模所用的溫度敏感點的選擇方法。

背景技術

在精密及超精密加工中，熱誤差的影響非常嚴重，是影響機床加工精度穩(wěn)定性的最大誤差源，占機床總誤差的40％～70％，五軸機床相比于三軸機床，它能加工各種復雜的曲面，具有更高的效率，廣泛應用于航空航天、汽車和模具等行業(yè)，然而兩個旋轉軸的引用使得機床熱源增加，導致機床熱誤差增大，雙轉臺五軸數(shù)控機床的五個運動軸均由驅動電機帶動，電機運行時會發(fā)熱，并且運動軸移動會導致絲杠、軸承和導軌摩擦生熱，另外，在切削加工過程中，切削液只帶走了部分熱量，殘留的切削熱會傳遞到機床上。因此五軸數(shù)控機床在加工過程中存在更多的熱量，這些存留在加工系統(tǒng)中的熱量會引起刀具相對于工件的變形，因此減小熱誤差對提高機床的加工精度至關重要。相比于改善機床的結構與增加冷卻裝置等減少機床熱誤差的方法，熱誤差補償是一種更加經濟、方便和高效的方法。而熱誤差補償?shù)那疤崾墙嵴`差與溫度敏感點的經驗模型，要建立熱誤差經驗模型必須獲得與熱誤差相關的機床溫度場分布，由于利用仿真軟件等求解機床溫度場計算量大，并且極其復雜。這就需要在機床上布置大量的溫度傳感器，用來測量機床運行過程中的實時溫度場分布。

雖然經驗模型中作為輸入的溫度變量越多，模型的精度越高，但大量的溫度傳感器加重了誤差測量和計算的工作量，從而影響熱誤差模型的實施補償效率與魯棒性，且實際中測量時布線過多會影響機床正常工作，還會使相鄰測點的輸出信號有較大的相關性。因此，選擇幾個溫度敏感點實現(xiàn)精確熱誤差建模就顯得特別重要，但是如何選擇溫度測點是機床熱變形建模中的關鍵問題之一。

針對這個關鍵問題，本發(fā)明基于K-means++算法和相關系數(shù)法，對機床各個溫度測點進行分類，分析各個溫度測點與機械加工熱誤差的相關性，并利用理論計算主軸溫度及變形變化，從而優(yōu)化主軸上的溫度敏感點，提出了根據(jù)對機床產生熱誤差影響特別敏感的幾個測量點的傳感器組合作為熱誤差精確建模使用的變量的方法。

發(fā)明內容

本發(fā)明提供一種雙轉臺五軸數(shù)控機床熱誤差建模溫度敏感點的選擇方法，用于解決數(shù)控機床熱誤差建模補償中如何選擇溫度敏感點的技術問題。

為解決上述技術問題，本發(fā)明采用的技術方案是：

雙轉臺五軸數(shù)控機床熱誤差建模溫度敏感點的選擇方法，具體步驟是：

步驟1，分析雙轉臺五軸數(shù)控機床的熱源位置及運動部件的特點：

雙轉臺式五軸數(shù)控機床為具有X、Y、Z三個直線運動軸、A軸擺臺和C軸轉臺，相比于三軸數(shù)控機床多了兩個運動軸，熱源也隨之增多，數(shù)控機床的五個運動軸均由驅動電機帶動，電機運行時會發(fā)熱，并且運動軸移動會導致絲杠、軸承和導軌摩擦生熱，另外，在切削加工過程中，切削液只帶走了部分熱量，殘留的切削熱會傳遞到機床上。因此五軸數(shù)控機床在加工過程中存在更多的熱量，這些存留在加工系統(tǒng)中的熱量會引起刀具相對于工件的變形；

步驟2，采集五軸數(shù)控機床運行過程中隨時間變化的溫度變量和熱變形量：

首先，在機床主要熱源及運動部件處安裝n個精度為0.1℃的DS18B20溫度傳感器測量機床的溫度變化，將標準檢測芯棒裝夾在機床主軸上，利用支架和磁力座將電渦流位移傳感器固定在檢測芯棒處；