3-28  车削工件温度场的构建与误差分析

陈东生  李尚政

在精密车削过程中，旋转工件的温度分布往往是影响其精度的一个重要因素，同时刀具温度对工件的加工精度影响也很大，需要对刀具的温度和工件的表面温度分布进行测量。

利用红外点温仪扫描旋转工件得到部分扫描数据，然后通过Matlab软件插值构建工件温度场，并对该方法得出的温度进行误差分析。采用近焦距红外点温仪，当测温仪与被测物体距离为70 mm时，其所测的是直径为f2.5 mm圆斑的平均温度，可以近似认为所测的温度是其圆心处的温度，即为点温。对于旋转工件，可认为测温仪测得的工件温度为激光对准点所在圆截面周长的平均温度。对刀具，由于测温仪和刀具相对位置不变，故其测量的是激光对准点的温度。测量刀具温度时，在夹持刀具的刀架上引出一纵向支架，其上固定放置近焦距红外点温仪，使得探头与刀具刀尖距离为70 mm，其相对位置不变，而与刀具同时移动。探头即可测出其辐射温度。测量工件温度场时，红外点温仪随刀架来回匀速移动，其工件温度信号经运放后送入数据采集卡，要获得工件的线温度场，必须利用软件处理所采集到的温度信号。用基于Matlab的数据处理软件绘出该工件的温度场，见图1。图2是工件温度场测量点示意图，其横轴是单向测量的数据数，纵轴是时间轴，图2中的箭头方向是红外测温传感头移动方向，虚线与细实线的交点是测量点。

经分析结果如下：(1) 红外测温仪测量旋转工件温度场的误差主要由3部分组成，用修正极值法：Dt_max = C₃ (Dx_max + Dy_max +Dr_max )= 0.90´(4+3+0)=6.3，Δt_max为旋转工件温度场系统总误差；Δx_max为红外测温误差；Δy_max为系统响应误差；Δr_max为插值误差；C₃为修正系数，测温误差为±3.2 ℃。(2) 刀具测量误差主要由3部分组成，用修正极值法：Δt_max=C₃(Δx_max+Δz_max+Δr_max)=0.90×(4+1+0)=4.5，刀具测量系统总误差为±2.5℃。

监测结果表明：用红外点温仪基本上可以监测其刀具温度及温度变化，其测温精度为±2.5℃。工件的温度是通过采用快速移动传感器的方法对工件进行匀速扫描，实现工件温度场的监测，其测温精度为±3.2℃。利用基于Matlab的数据处理软件可以对刀具温度(二维)和工件表面温度(三维)进行插值处理，得到刀具温度变化和工件表面温度场信息。