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。與車削等外表面加工方法相比，鏜孔時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傳感器和用來對加工誤差進(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)動的微進(jìn)給刀架的結(jié)構(gòu)示意圖。
圖1 壓電陶瓷驅(qū)動的微進(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，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
在鏜削小而深的孔時，要求鏜桿的直徑小而長度較長。如圖2所示，設(shè)計了一種由兩個同軸的內(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)桿用來測試鏜刀的微位移誤差，稱為測試桿，測試桿設(shè)計成懸臂形式，測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，通過貼在固定端的應(yīng)變片測試內(nèi)桿的變形來監(jiān)測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試傳感器的影響而使鏜桿直徑做得較小，并且長度也能做得較長，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 (包括控制桿和測試桿)，(2) 應(yīng)變測試儀部分，(3) PZT傳感器及驅(qū)動電源部分，(4)控制計算機(jī)。在圖2中，當(dāng)鏜削力FC變小時，鏜刀將向下偏轉(zhuǎn)，測試桿也向下偏轉(zhuǎn)。由應(yīng)變測試儀測的信號減小，這時計算機(jī)輸出一個增大的信號給PZT傳感器驅(qū)動系統(tǒng)，PZT傳感器伸長推動控制桿繞柔性鉸鏈支點順時針方向旋轉(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，PZT傳感器的輸入電壓減小而縮短，控制桿逆時針方向旋轉(zhuǎn)而補(bǔ)償鏜刀向上的偏轉(zhuǎn)。于是在精密鏜孔加工過程中，就能夠通過微調(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
為了對加工誤差有效地進(jìn)行閉環(huán)補(bǔ)償控制，必須對加工誤差進(jìn)行在線檢測和實時補(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)做是一組時間序列來分析，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)報補(bǔ)償控制技術(shù)的主要優(yōu)點是不必研究各式各樣復(fù)雜的誤差源對加工誤差的影響，而且可以直接利用誤差序列自身的相關(guān)性，根據(jù)已測得的誤差值來有效預(yù)報下一時刻的誤差值。為了對鏜削加工誤差進(jìn)行實時補(bǔ)償，鏜刀的微位移誤差可以用下列的AR(autoregressive)模型來表示：
其中yt 表示鏜刀在t時刻的微位移誤差，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)報補(bǔ)償控制技術(shù)的一個主要特點是能對加工誤差進(jìn)行實時的預(yù)報，根據(jù)前面時刻和現(xiàn)在時刻測得的誤差值以及所建立的AR模型來預(yù)報將來時刻的誤差。這樣提前預(yù)報誤差后，就為實時補(bǔ)償加工誤差贏得了時間。根據(jù)公式(1)可以得到提前q步預(yù)報的誤差值如下：
圖4 加工誤差預(yù)報效果圖
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)報的效果示意圖，從圖中可以看出加工誤差的預(yù)報值與實際值非常接近，能夠滿足精密鏜削加工中誤差補(bǔ)償?shù)囊蟆?BR>
實驗研究
1.仿真實驗
為了確定微調(diào)鏜桿系統(tǒng)的動態(tài)補(bǔ)償性能，用仿真實驗的方法對鏜桿系統(tǒng)進(jìn)行了研究。用一個振動器推動鏜刀來模擬切削過程。當(dāng)振動器產(chǎn)生一組變化頻率的振動時，測試微調(diào)鏜桿系統(tǒng)的動態(tài)補(bǔ)償性能。如圖5所示，當(dāng)振動頻率由5Hz變化到40Hz時，用示波器觀測到的鏜刀在有補(bǔ)償和沒有補(bǔ)償條件下的位移情況，其中1表示沒有補(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或以下的動態(tài)誤差。
圖5 加工誤差預(yù)報效果圖 圖6 加工結(jié)果
2.鏜削實驗
在數(shù)控車床(MAZAK QUICK TURN 8N)上對微調(diào)鏜桿在線補(bǔ)償系統(tǒng)進(jìn)行了實驗研究。實驗中加工一個內(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采用補(bǔ)償和不采用補(bǔ)償?shù)那闆r進(jìn)行了試驗，并用圓度儀測試了這兩種情況下加工出來的孔的圓度(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)，實現(xiàn)了對小而深的孔進(jìn)行誤差在線檢測和補(bǔ)償?shù)木芗庸ぁ?
2.采用時間序列分析的方法對鏜削加工誤差進(jìn)行建模和預(yù)報，試驗表明這種預(yù)報補(bǔ)償方法能有效提高鏜削加工精度。
