鏜削加工過程中的誤差補(bǔ)償技術(shù)是機(jī)械加工工藝裝備研究中的重要課題。以汽車工業(yè)為例，鏜削往往是孔加工中最主要的工藝手段，而孔加工又往往是汽車關(guān)鍵零件自動生產(chǎn)線上最重要的工序。由于系統(tǒng)誤差和隨機(jī)誤差的存在，極大地影響了鏜孔精加工的質(zhì)量和效率。因此，鏜削誤差補(bǔ)償技術(shù)就成為開發(fā)此類自動生產(chǎn)線所必需的核心技術(shù)，而鏜削刀具微量進(jìn)給裝置作為補(bǔ)償動作的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，又是誤差補(bǔ)償技術(shù)的基礎(chǔ)和關(guān)鍵，當(dāng)今加工的需求對鏜削刀具微量進(jìn)給裝置的性能提出了越來越高的要求。
由此可見，通過系統(tǒng)的研究，尋求新原理、新方法，以顯著提高鏜削刀具微量進(jìn)給裝置的性能及相關(guān)技術(shù)水平，對我國機(jī)械加工工業(yè)來說，既有重要的理論意義，又有可觀的實(shí)際效益。
1 國內(nèi)外研究概況
1) 補(bǔ)償裝置 鏜削刀具微量進(jìn)給的主要性能指標(biāo)有：最小進(jìn)給量(分辨率)、重復(fù)定位精度、線性、最大進(jìn)給范圍。目前國內(nèi)外研制的補(bǔ)償裝置各種各樣，從產(chǎn)生微量位移的方式來看，可分為兩大類：一類是利用一些特殊機(jī)構(gòu)，如偏心式和斜盤式；另一類是利用刀桿或刀夾的彈性變形，如差動螺紋式、彈性刀夾式。相對而言，第一類補(bǔ)償方式的機(jī)械傳遞環(huán)節(jié)較多，存在誤差的可能性較大，因而在精密補(bǔ)償中的應(yīng)用受到限制。刀桿彈性變形分刀桿軸線相對主軸軸線傾斜(如差動螺紋式)和平移(如平行四邊形機(jī)構(gòu))兩種，其顯著的特點(diǎn)是主軸與刀桿之間為彈性聯(lián)接。由此產(chǎn)生的問題是：為避免在切削中產(chǎn)生動態(tài)振動，就必須在聯(lián)接時(shí)提高其剛性，因而產(chǎn)生進(jìn)給運(yùn)動的驅(qū)動力就相應(yīng)增大。另外，由于前者相對于后者的機(jī)械傳動環(huán)節(jié)較多，因而從避免爬行以及產(chǎn)生最小單位補(bǔ)償量方面來看，后者有更好的應(yīng)用前景，但其彈性變形由電信號,壓力油驅(qū)動，使得其可控性差。彈性刀夾一般是采用斜塊推動刀夾產(chǎn)生彈性變形，從而實(shí)現(xiàn)刀尖的徑向補(bǔ)償。由于是刀夾的彈性變形，因此，不僅補(bǔ)償線性較好，而且所需的驅(qū)動力相對于刀桿變形要小得多，可減小整個(gè)傳動環(huán)節(jié)的不必要變形。從產(chǎn)生斜塊軸向運(yùn)動的方式來看，可以分為壓電晶體及步進(jìn)電機(jī)——螺母絲杠副兩種方式。對于前者，它的變形是單向的，因此不能產(chǎn)生負(fù)向進(jìn)給及讓刀動作，加之本身的變形線性較差，因而其應(yīng)用受到限制；而后者不僅能克服上述缺陷，而且還具有優(yōu)良的控制性能，因而在實(shí)際中獲得了廣泛應(yīng)用。不過囿于彈性刀夾的設(shè)計(jì)空間，當(dāng)加工對象的孔徑較小時(shí)，其應(yīng)用受到限制。
綜合而言，有關(guān)鏜削刀具微量進(jìn)給裝置的研究與開發(fā)存在的主要問題是：
a. 精度指標(biāo)的不高，制約了相關(guān)技術(shù)的研究與發(fā)展。就目前此類裝置的技術(shù)水平而言，由于受原理和方法的限制，鏜刀的微量進(jìn)給精度只能達(dá)到微米級，且微量變形的驅(qū)動機(jī)構(gòu)不可避免地存在間隙以及彈性變形，不能實(shí)現(xiàn)交替正負(fù)方向(甚至于連續(xù)單向)的微米級微量進(jìn)給，使得此類裝置僅適用于間斷進(jìn)給。如鏜削形狀誤差的補(bǔ)償及異形孔的加工，因?yàn)榭紤]到加工要求(尤其是表面質(zhì)量)，有些微量進(jìn)給的性能指標(biāo)至少要高出一個(gè)數(shù)量級。
b. 可靠性不高，妨礙了在工程實(shí)際中的廣泛應(yīng)用。目前此類裝置在我國工程實(shí)際中的應(yīng)用主要在尺寸誤差的補(bǔ)償方面，且基本上都是引進(jìn)的技術(shù)，故障率高是一個(gè)普遍現(xiàn)象。究其原因，主要是機(jī)械傳動的磨損及工作現(xiàn)場的污染等。因此，在原理和方法上創(chuàng)新，以提高鏜削刀具微量進(jìn)給裝置的技術(shù)性能就顯得尤為重要。
2) 誤差預(yù)測模型 關(guān)于誤差預(yù)測模型問題，早在上世紀(jì)70年代末期，西安交通大學(xué)陽含和教授利用Wiener濾波對尺寸誤差預(yù)測問題作了深入的探討。上世紀(jì)80年代初期，華中理工大學(xué)李培根教授在鏜孔的尺寸誤差預(yù)測中首先引入了Kalman濾波。該方法的一個(gè)顯著特點(diǎn)為：誤差預(yù)測僅需要前一步的測量信息，大大地減小了在線計(jì)算的工作量。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，鏜孔尺寸精度得到了顯著的改善，不僅幾乎全部的系統(tǒng)誤差得到補(bǔ)償，而且50%的隨機(jī)誤差也得到了補(bǔ)償。至上世紀(jì)80年代，國際上對這一問題的研究達(dá)到高潮，其中，美國的S.M.WU 教授所做的工作引起了廣泛的注意，他在機(jī)械切削加工中首先引入DDS(Dynamic Data System，又稱Time Series——時(shí)間序列) 方法來建立誤差預(yù)測模型，對軸類零件實(shí)施DDS法控制的實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：圓度誤差下降50% ，直線度誤差下降80%，圓柱度誤差下降60%。之后，美國的J.Ni教授繼承了他的工作，在誤差預(yù)測模型中引入了自適應(yīng)控制(Adaptive Control)方法。
需要說明的是，建立在上述各種最優(yōu)控制理論基礎(chǔ)之上的尺寸誤差預(yù)測模型還沒真正獲得應(yīng)用，在實(shí)際系統(tǒng)中仍采用傳統(tǒng)的尺寸限控制方法(3s原則)。究其主要原因，這類模型的參數(shù)與加工條件密切相關(guān)，需要通過一定量的試加工才能獲得，而實(shí)際的加工條件又是動態(tài)變化的。因此，尺寸誤差預(yù)測模型參數(shù)的自適應(yīng)、自調(diào)節(jié)問題將是今后應(yīng)用研究的一個(gè)重要方面，基于自學(xué)習(xí)的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和遺傳算法模型將是解決這一問題的有力工具。此外，有關(guān)鏜孔的形狀誤差(如圓度)預(yù)測控制問題，由于受鏜刀微量進(jìn)給及實(shí)時(shí)測量技術(shù)的限制，難以建立相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，國內(nèi)在這一方面的研究還是空白。
隨著有關(guān)技術(shù)的不斷完善和發(fā)展，一些工業(yè)化國家都已形成了各自的尺寸誤差預(yù)測補(bǔ)償控制系統(tǒng)，這些成果主要有：瑞典Sandvik公司和意大利Marposs公司共同研制開發(fā)的Auto-Comp專用鏜床刀具補(bǔ)償系統(tǒng)，其微量補(bǔ)償裝置采用步進(jìn)電機(jī)—彈性刀夾方式，每脈沖可補(bǔ)償0.002mm，最大補(bǔ)償量0.2mm。德國Gericon-Samosatic公司研制開發(fā)的鏜削誤差補(bǔ)償系統(tǒng)，在切削深度達(dá)0.4mm時(shí)，可保證得到ISO6級以上的尺寸精度，其微量進(jìn)給機(jī)構(gòu)為壓力油—平行四邊形方式。另外，美、日等國公司也都開發(fā)了各自的尺寸誤差自動補(bǔ)償系統(tǒng)。
2 研究趨勢
1) 今后所需研究的主要內(nèi)容
a. 微量補(bǔ)償裝置(包括動力頭)的開發(fā)。其主要內(nèi)容是彈性變形體的微變形原理、主運(yùn)動(切削運(yùn)動)及微量進(jìn)給運(yùn)動(補(bǔ)償運(yùn)動)的傳遞與合成。在滿足微量補(bǔ)償裝置性能指標(biāo)(分辨率、重復(fù)定位精度、線性、補(bǔ)償范圍)的前提下，應(yīng)兼顧到裝置本身的可制造性、可裝配性和可維護(hù)性等。
b. 測量裝置的二次開發(fā)。在現(xiàn)有成熟測量技術(shù)的基礎(chǔ)上，開發(fā)在線自動測量裝置，結(jié)合相應(yīng)的現(xiàn)場工藝等措施，排除現(xiàn)場工況等環(huán)境的干擾，在滿足在線自動測量精度、測量范圍等性能指標(biāo)的前提下，提高在線自動測量的可靠性。
c. 控制系統(tǒng)的研究與開發(fā)�？刂葡到y(tǒng)包括在線自動測量信號的采集、轉(zhuǎn)換與處理，尺寸誤差預(yù)測模型(控制策略)的建立，及其它整套系統(tǒng)動作的協(xié)調(diào)與控制等。
d. 靜態(tài)及動態(tài)試驗(yàn)研究等。在理論分析的基礎(chǔ)上，驗(yàn)證和確定微量補(bǔ)償裝置的靜態(tài)性能指標(biāo)(分辨率、重復(fù)定位精度、線性、補(bǔ)償范圍)，在模擬現(xiàn)場工況條件下，進(jìn)行自動預(yù)測補(bǔ)償控制的動態(tài)切削試驗(yàn)等。
2) 關(guān)鍵技術(shù)
a. 微量補(bǔ)償裝置方案的確定。在微量補(bǔ)償裝置中，分辨率往往要求達(dá)到亞微米級，考慮到自動加工中的讓刀動作，其重復(fù)定位精度一般要求達(dá)到微米級，這些都對補(bǔ)償運(yùn)動的傳遞、主運(yùn)動的運(yùn)動精度及其兩者的合成提出了非常高的要求，加之在加工過程中的輔助工藝措施，都需要集成到微量補(bǔ)償裝置之中，從而導(dǎo)致微量補(bǔ)償裝置非常復(fù)雜，影響到裝置的可制造性、可裝配性、可維護(hù)性和經(jīng)濟(jì)性，以致成為本項(xiàng)目研究開發(fā)的技術(shù)關(guān)鍵及難點(diǎn)之一。
b. 在線測量的可靠性問題。誤差測量信號是誤差預(yù)測模型的信息源，其精度對誤差預(yù)測的精度有著直接的影響，其在線自動測量的可靠性是實(shí)際工程應(yīng)用中的主要障礙。
c. 動態(tài)切削條件下性能指標(biāo)的驗(yàn)證。在目前的研究中，由于受技術(shù)條件的限制，微量補(bǔ)償裝置的性能指標(biāo)(如分辨率)主要是在靜態(tài)條件下獲得的，而更具說服力的是在動態(tài)切削條件下的驗(yàn)證。但切削過程的復(fù)雜性，使得這一試驗(yàn)具有很大的難度。
d. 控制策略的確定等�？刂撇呗缘暮诵膯栴}是誤差預(yù)測模型的建立，其模型的適應(yīng)性及其精度對整套系統(tǒng)的性能有著決定性的影響，模型的精度指標(biāo)必須與微量補(bǔ)償裝置的性能指標(biāo)相適應(yīng)，且采用合適的控制方案，才能充分發(fā)揮系統(tǒng)的整體性能。目前在工程實(shí)際中因簡單、實(shí)用、可靠而普遍采用基于/"原則的控制方案，沒有充分利用微量補(bǔ)償裝置的性能，而建立在基于統(tǒng)計(jì)原理的各種最優(yōu)預(yù)測理論基礎(chǔ)之上的誤差預(yù)測模型又缺乏良好的自適應(yīng)性，其模型的精度還需要在工程實(shí)踐中進(jìn)行廣泛的驗(yàn)證。
3 結(jié)束語
精鏜尺寸誤差預(yù)測補(bǔ)償控制系統(tǒng)作為一項(xiàng)精密加工技術(shù)，在國內(nèi)還未開發(fā)成功，而在機(jī)械加工中有很大的需求，尤其是在大批量自動線加工中尤為如此。長期以來，國內(nèi)相關(guān)行業(yè)這類技術(shù)還主要依賴于進(jìn)口，本項(xiàng)技術(shù)的開發(fā)成功，將有助于國內(nèi)設(shè)備制造行業(yè)，如組合機(jī)床及自動加工線生產(chǎn)廠家提高其市場競爭能力，增強(qiáng)相關(guān)技術(shù)應(yīng)用行業(yè)的技術(shù)裝備水平。
