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精鏜孔尺寸誤差預測補償技術的研究概況與趨勢

作者:hbtsjL 發布日期:2020-12-28 11:03:29 關注次數:196

鏜削加工過程中的誤差補償技術是機械加工工藝裝備研究中的重要課題。以汽車工業為例,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鍵零件自動生產線上最重要的工序。由于系統誤差和隨機誤差的存在,極大地影響了鏜孔精加工的質量和效率。因此,鏜削誤差補償技術就成為開發此類自動生產線所必需的核心技術,而鏜削刀具微量進給裝置作為補償動作的執行機構,又是誤差補償技術的基礎和關鍵,當今加工的需求對鏜削刀具微量進給裝置的性能提出了越來越高的要求。


由此可見,通過系統的研究,尋求新原理、新方法,以顯著提高鏜削刀具微量進給裝置的性能及相關技術水平,對我國機械加工工業來說,既有重要的理論意義,又有可觀的實際效益。


一、國內外研究概況


補償裝置


鏜削刀具微量進給的主要性能指標有:最小進給量(分辨率)、重復定位精度、線性、最大進給范圍。目前國內外研制的補償裝置各種各樣,從產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構,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,第一類補償方式的機械傳遞環節較多,存在誤差的可能性較大,因而在精密補償中的應用受到限制。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(如平行四邊形機構)兩種,其顯著的特點是主軸與刀桿之間為彈性聯接。由此產生的問題是:為避免在切削中產生動態振動,就必須在聯接時提高其剛性,因而產生進給運動的驅動力就相應增大。另外,由于前者相對于后者的機械傳動環節較多,因而從避免爬行以及產生最小單位補償量方面來看,后者有更好的應用前景,但其彈性變形由電信號,壓力油驅動,使得其可控性差。彈性刀夾一般是采用斜塊推動刀夾產生彈性變形,從而實現刀尖的徑向補償。由于是刀夾的彈性變形,因此,不僅補償線性較好,而且所需的驅動力相對于刀桿變形要小得多,可減小整個傳動環節的不必要變形。從產生斜塊軸向運動的方式來看,可以分為壓電晶體及步進電機——螺母絲杠副兩種方式。對于前者,它的變形是單向的,因此不能產生負向進給及讓刀動作,加之本身的變形線性較差,因而其應用受到限制;而后者不僅能克服上述缺陷,而且還具有優良的控制性能,因而在實際中獲得了廣泛應用。不過囿于彈性刀夾的設計空間,當加工對象的孔徑較小時,其應用受到限制。

精鏜孔

綜合而言,有關鏜削刀具微量進給裝置的研究與開發存在的主要問題是:


精度指標的不高,制約了相關技術的研究與發展。就目前此類裝置的技術水平而言,由于受原理和方法的限制,鏜刀的微量進給精度只能達到微米級,且微量變形的驅動機構不可避免地存在間隙以及彈性變形,不能實現交替正負方向(甚至于連續單向)的微米級微量進給,使得此類裝置僅適用于間斷進給。如鏜削形狀誤差的補償及異形孔的加工,因為考慮到加工要求(尤其是表面質量),有些微量進給的性能指標至少要高出一個數量級。


可靠性不高,妨礙了在工程實際中的廣泛應用。目前此類裝置在我國工程實際中的應用主要在尺寸誤差的補償方面,且基本上都是引進的技術,故障率高是一個普遍現象。究其原因,主要是機械傳動的磨損及工作現場的污染等。因此,在原理和方法上創新,以提高鏜削刀具微量進給裝置的技術性能就顯得尤為重要。


差預測模型


關于誤差預測模型問題,早在上世紀70年代末期,西安交通大學陽含和教授利用Wiener濾波對尺寸誤差預測問題作了深入的探討。上世紀80年代初期,華中理工大學李培根教授在鏜孔的尺寸誤差預測中首先引入了Kalman濾波。該方法的一個顯著特點為:誤差預測僅需要前一步的測量信息,大大地減小了在線計算的工作量。實驗結果表明,鏜孔尺寸精度得到了顯著的改善,不僅幾乎全部的系統誤差得到補償,而且50%的隨機誤差也得到了補償。至上世紀80年代,國際上對這一問題的研究達到高潮,其中,美國的S.M.WU教授所做的工作引起了廣泛的注意,他在機械切削加工中首先引入DDS(DynamicDataSystem,又稱TimeSeries——時間序列)方法來建立誤差預測模型,對軸類零件實施DDS法控制的實驗結果表明: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,在誤差預測模型中引入了自適應控制(AdaptiveControl)方法。


需要說明的是,建立在上述各種最優控制理論基礎之上的尺寸誤差預測模型還沒真正獲得應用,在實際系統中仍采用傳統的尺寸限控制方法(3s原則)。究其主要原因,這類模型的參數與加工條件密切相關,需要通過一定量的試加工才能獲得,而實際的加工條件又是動態變化的。因此,尺寸誤差預測模型參數的自適應、自調節問題將是今后應用研究的一個重要方面,基于自學習的神經網絡和遺傳算法模型將是解決這一問題的有力工具。此外,有關鏜孔的形狀誤差(如圓度)預測控制問題,由于受鏜刀微量進給及實時測量技術的限制,難以建立相應的實驗系統,國內在這一方面的研究還是空白。


隨著有關技術的不斷完善和發展,一些工業化國家都已形成了各自的尺寸誤差預測補償控制系統,這些成果主要有:瑞典Sandvik公司和意大利Marposs公司共同研制開發的Auto-Comp專用鏜床刀具補償系統,其微量補償裝置采用步進電機—彈性刀夾方式,每脈沖可補償0.002mm,最大補償量0.2mm。德國Gericon-Samosatic公司研制開發的鏜削誤差補償系統,在切削深度達0.4mm時,可保證得到ISO6級以上的尺寸精度,其微量進給機構為壓力油—平行四邊形方式。另外,美、日等國公司也都開發了各自的尺寸誤差自動補償系統。


二、研究趨勢


今后所需研究的主要內容


微量補償裝置(包括動力頭)的開發。其主要內容是彈性變形體的微變形原理、主運動(切削運動)及微量進給運動(補償運動)的傳遞與合成。在滿足微量補償裝置性能指標(分辨率、重復定位精度、線性、補償范圍)的前提下,應兼顧到裝置本身的可制造性、可裝配性和可維護性等。


測量裝置的二次開發。在現有成熟測量技術的基礎上,開發在線自動測量裝置,結合相應的現場工藝等措施,排除現場工況等環境的干擾,在滿足在線自動測量精度、測量范圍等性能指標的前提下,提高在線自動測量的可靠性。


控制系統的研究與開發??刂葡到y包括在線自動測量信號的采集、轉換與處理,尺寸誤差預測模型(控制策略)的建立,及其它整套系統動作的協調與控制等。


靜態及動態試驗研究。在理論分析的基礎上,驗證和確定微量補償裝置的靜態性能指標(分辨率、重復定位精度、線性、補償范圍),在模擬現場工況條件下,進行自動預測補償控制的動態切削試驗等。


關鍵技術


微量補償裝置方案的確定。在微量補償裝置中,分辨率往往要求達到亞微米級,考慮到自動加工中的讓刀動作,其重復定位精度一般要求達到微米級,這些都對補償運動的傳遞、主運動的運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償裝置之中,從而導致微量補償裝置非常復雜,影響到裝置的可制造性、可裝配性、可維護性和經濟性,以致成為本項目研究開發的技術關鍵及難點之一。


在線測量的可靠性問題。誤差測量信號是誤差預測模型的信息源,其精度對誤差預測的精度有著直接的影響,其在線自動測量的可靠性是實際工程應用中的主要障礙。


動態切削條件下性能指標的驗證。在目前的研究中,由于受技術條件的限制,微量補償裝置的性能指標(如分辨率)主要是在靜態條件下獲得的,而更具說服力的是在動態切削條件下的驗證。但切削過程的復雜性,使得這一試驗具有很大的難度。


控制策略的確定??刂撇呗缘暮诵膯栴}是誤差預測模型的建立,其模型的適應性及其精度對整套系統的性能有著決定性的影響,模型的精度指標必須與微量補償裝置的性能指標相適應,且采用合適的控制方案,才能充分發揮系統的整體性能。目前在工程實際中因簡單、實用、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償裝置的性能,而建立在基于統計原理的各種最優預測理論基礎之上的誤差預測模型又缺乏良好的自適應性,其模型的精度還需要在工程實踐中進行廣泛的驗證。


三、結束語


精鏜尺寸誤差預測補償控制系統作為一項精密加工技術,在國內還未開發成功,而在機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,國內相關行業這類技術還主要依賴于進口,本項技術的開發成功,將有助于國內設備制造行業,如組合機床及自動加工線生產廠家提高其市場競爭能力,增強相關技術應用行業的技術裝備水平。


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