在線誤差補(bǔ)償技術(shù)在精密車削加工中得到了廣泛的應(yīng)用，但在鏜孔中的應(yīng)用還是很少，特別是在深小孔的鏜削加工中更是少見(jiàn)。與車削等外表面加工方法相比，鏜孔時(shí)鏜桿的外徑尺寸受到被鏜孔的嚴(yán)格限制，那些安裝在車床刀架上的誤差檢測(cè)傳感器和用來(lái)對(duì)加工誤差進(jìn)行補(bǔ)償?shù)膱?zhí)行元件，由于其體積較大，不便或不能安裝在鏜桿上。為此，本文提出一種新型結(jié)構(gòu)的微調(diào)鏜桿，使在線誤差補(bǔ)償技術(shù)能在鏜削加工中得到應(yīng)用。
車削加工中的微進(jìn)給機(jī)構(gòu)
圖1a所示為日本大阪大學(xué)研制的微動(dòng)刀架的結(jié)構(gòu)示意圖，該刀架中采用壓電陶瓷傳感器做微進(jìn)給驅(qū)動(dòng)元件。圖1b是哈爾濱工業(yè)大學(xué)研制的壓電陶瓷傳感器驅(qū)動(dòng)的微進(jìn)給刀架的結(jié)構(gòu)示意圖。
圖1 壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)的微進(jìn)給刀架
上述兩種微量進(jìn)給刀架都是用在外表面車削加工中的誤差補(bǔ)償裝置上，壓電陶瓷(PZT)傳感器和刀具裝在同一條直線上，由于壓電陶瓷傳感器較長(zhǎng)，使得這些微進(jìn)給裝置在刀具進(jìn)給方向的尺寸都比較大。
鏜桿的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
在鏜削小而深的孔時(shí)，要求鏜桿的直徑小而長(zhǎng)度較長(zhǎng)。如圖2所示，設(shè)計(jì)了一種由兩個(gè)同軸的內(nèi)外桿組成的微調(diào)鏜桿。其中，外桿做控制用，稱為控制桿，控制桿做成以柔性鉸鏈為支點(diǎn)的杠桿結(jié)構(gòu)，鏜刀和壓電陶瓷傳感器分別安裝在控制桿的兩端。內(nèi)桿用來(lái)測(cè)試鏜刀的微位移誤差，稱為測(cè)試桿，測(cè)試桿設(shè)計(jì)成懸臂形式，測(cè)試桿的一端固定在刀架座上，另一端以柔性鉸鏈的方式與鏜刀和控制桿連結(jié)在一起，通過(guò)貼在固定端的應(yīng)變片測(cè)試內(nèi)桿的變形來(lái)監(jiān)測(cè)鏜刀的徑向位移誤差。這種雙桿形式的鏜桿可以不受壓電陶瓷傳感器和微位移測(cè)試傳感器的影響而使鏜桿直徑做得較小，并且長(zhǎng)度也能做得較長(zhǎng)，以便于加工深小孔。
圖2 雙桿微調(diào)鏜桿結(jié)構(gòu)示意圖 圖3 微調(diào)鏜桿在線補(bǔ)償系統(tǒng)
微調(diào)鏜桿在線補(bǔ)償系統(tǒng)
1.主要組成及工作原理
采用閉環(huán)補(bǔ)償控制的方式來(lái)提高鏜削加工精度。如圖3所示，微調(diào)鏜桿控制系統(tǒng)主要由以下幾部分組成: (1) 微調(diào)鏜桿 (包括控制桿和測(cè)試桿)，(2) 應(yīng)變測(cè)試儀部分，(3) PZT傳感器及驅(qū)動(dòng)電源部分，(4)控制計(jì)算機(jī)。在圖2中，當(dāng)鏜削力FC變小時(shí)，鏜刀將向下偏轉(zhuǎn)，測(cè)試桿也向下偏轉(zhuǎn)。由應(yīng)變測(cè)試儀測(cè)的信號(hào)減小，這時(shí)計(jì)算機(jī)輸出一個(gè)增大的信號(hào)給PZT傳感器驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，PZT傳感器伸長(zhǎng)推動(dòng)控制桿繞柔性鉸鏈支點(diǎn)順時(shí)針?lè)较蛐D(zhuǎn)，這樣鏜刀向下的偏轉(zhuǎn)就被補(bǔ)償了。同樣，當(dāng)鏜削力FC變大鏜刀向上偏轉(zhuǎn)時(shí)，PZT傳感器的輸入電壓減小而縮短，控制桿逆時(shí)針?lè)较蛐D(zhuǎn)而補(bǔ)償鏜刀向上的偏轉(zhuǎn)。于是在精密鏜孔加工過(guò)程中，就能夠通過(guò)微調(diào)鏜桿系統(tǒng)的PZT傳感器的補(bǔ)償作用有效提高加工精度。
2.補(bǔ)償控制模型
為了對(duì)加工誤差有效地進(jìn)行閉環(huán)補(bǔ)償控制，必須對(duì)加工誤差進(jìn)行在線檢測(cè)和實(shí)時(shí)補(bǔ)償，而且所采用的補(bǔ)償控制方法不僅要能夠補(bǔ)償系統(tǒng)誤差，而且還要能夠補(bǔ)償隨機(jī)誤差。預(yù)報(bào)補(bǔ)償控制技術(shù)(FCC)是一種非常有效的控制法，這種控制法將加工誤差當(dāng)做是一組時(shí)間序列來(lái)分析，不僅能夠補(bǔ)償重復(fù)性的誤差而且還能夠補(bǔ)償隨機(jī)誤差。預(yù)報(bào)補(bǔ)償控制技術(shù)的主要優(yōu)點(diǎn)是不必研究各式各樣復(fù)雜的誤差源對(duì)加工誤差的影響，而且可以直接利用誤差序列自身的相關(guān)性，根據(jù)已測(cè)得的誤差值來(lái)有效預(yù)報(bào)下一時(shí)刻的誤差值。為了對(duì)鏜削加工誤差進(jìn)行實(shí)時(shí)補(bǔ)償，鏜刀的微位移誤差可以用下列的AR(autoregressive)模型來(lái)表示：
其中yt 表示鏜刀在t時(shí)刻的微位移誤差，fj (j= 1,2, ......)是自回歸參數(shù)，d是白噪聲，代表了誤差序列中的不回歸的隨機(jī)部分(這里也包含了測(cè)試誤差)。隨著加工的進(jìn)行，AR模型中的模型參數(shù)不斷被新采集的信息所修正，這樣就使隨機(jī)模型能始終正確表達(dá)鏜削加工誤差。
預(yù)報(bào)補(bǔ)償控制技術(shù)的一個(gè)主要特點(diǎn)是能對(duì)加工誤差進(jìn)行實(shí)時(shí)的預(yù)報(bào)，根據(jù)前面時(shí)刻和現(xiàn)在時(shí)刻測(cè)得的誤差值以及所建立的AR模型來(lái)預(yù)報(bào)將來(lái)時(shí)刻的誤差。這樣提前預(yù)報(bào)誤差后，就為實(shí)時(shí)補(bǔ)償加工誤差贏得了時(shí)間。根據(jù)公式(1)可以得到提前q步預(yù)報(bào)的誤差值如下：
圖4 加工誤差預(yù)報(bào)效果圖
該系統(tǒng)采用的是提前一步的AR(3)模型。 圖4給出了采用這種模型進(jìn)行預(yù)報(bào)的效果示意圖，從圖中可以看出加工誤差的預(yù)報(bào)值與實(shí)際值非常接近，能夠滿足精密鏜削加工中誤差補(bǔ)償?shù)囊蟆?BR>
實(shí)驗(yàn)研究
1.仿真實(shí)驗(yàn)
為了確定微調(diào)鏜桿系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)補(bǔ)償性能，用仿真實(shí)驗(yàn)的方法對(duì)鏜桿系統(tǒng)進(jìn)行了研究。用一個(gè)振動(dòng)器推動(dòng)鏜刀來(lái)模擬切削過(guò)程。當(dāng)振動(dòng)器產(chǎn)生一組變化頻率的振動(dòng)時(shí)，測(cè)試微調(diào)鏜桿系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)補(bǔ)償性能。如圖5所示，當(dāng)振動(dòng)頻率由5Hz變化到40Hz時(shí)，用示波器觀測(cè)到的鏜刀在有補(bǔ)償和沒(méi)有補(bǔ)償條件下的位移情況，其中1表示沒(méi)有補(bǔ)償條件下的鏜刀位移情況，2表示有補(bǔ)償條件下的鏜刀位移情況。從圖中可以看出微調(diào)鏜桿系統(tǒng)能有效的補(bǔ)償頻率為40Hz或以下的動(dòng)態(tài)誤差。
圖5 加工誤差預(yù)報(bào)效果圖 圖6 加工結(jié)果
2.鏜削實(shí)驗(yàn)
在數(shù)控車床(MAZAK QUICK TURN 8N)上對(duì)微調(diào)鏜桿在線補(bǔ)償系統(tǒng)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。實(shí)驗(yàn)中加工一個(gè)內(nèi)徑為35mm，深度為160mm的孔，工件材料是Al，車床轉(zhuǎn)速為500r/min。在同樣的切削條件下對(duì)采用補(bǔ)償和不采用補(bǔ)償?shù)那闆r進(jìn)行了試驗(yàn)，并用圓度儀測(cè)試了這兩種情況下加工出來(lái)的孔的圓度(如圖6所示)。從圖中可以看出微調(diào)鏜桿在線補(bǔ)償系統(tǒng)能有效的提高工件的加工精度。
結(jié)論
1.研制了新型雙桿結(jié)構(gòu)的微調(diào)鏜桿補(bǔ)償系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)小而深的孔進(jìn)行誤差在線檢測(cè)和補(bǔ)償?shù)木芗庸ぁ?
2.采用時(shí)間序列分析的方法對(duì)鏜削加工誤差進(jìn)行建模和預(yù)報(bào)，試驗(yàn)表明這種預(yù)報(bào)補(bǔ)償方法能有效提高鏜削加工精度。
