深小孔镗削在线补偿方法的研究

在线误差补偿技术在精密车削加工中得到了广泛的应用，但在镗孔中的应用还是很少，特别是在深小孔的镗削加工中更是少见。与车削等外表面加工方法相比，镗孔时镗杆的外径尺寸受到被镗孔的严格限制，那些安装在车床刀架上的误差检测传感器和用来对加工误差进行补偿的执行元件，由于其体积较大，不便或不能安装在镗杆上。为此，本文提出一种新型结构的微调镗杆，使在线误差补偿技术能在镗削加工中得到应用。　　
车削加工中的微进给机构
图1a所示为日本大阪大学研制的微动刀架的结构示意图，该刀架中采用压电陶瓷传感器做微进给驱动元件。图1b是哈尔滨工业大学研制的压电陶瓷传感器驱动的微进给刀架的结构示意图。

图1 压电陶瓷驱动的微进给刀架 

上述两种微量进给刀架都是用在外表面车削加工中的误差补偿装置上，压电陶瓷(PZT)传感器和刀具装在同一条直线上，由于压电陶瓷传感器较长，使得这些微进给装置在刀具进给方向的尺寸都比较大。
镗杆的结构设计
在镗削小而深的孔时，要求镗杆的直径小而长度较长。如图2所示，设计了一种由两个同轴的内外杆组成的微调镗杆。其中，外杆做控制用，称为控制杆，控制杆做成以柔性铰链为支点的杠杆结构，镗刀和压电陶瓷传感器分别安装在控制杆的两端。内杆用来测试镗刀的微位移误差，称为测试杆，测试杆设计成悬臂形式，测试杆的一端固定在刀架座上，另一端以柔性铰链的方式与镗刀和控制杆连结在一起，通过贴在固定端的应变片测试内杆的变形来监测镗刀的径向位移误差。这种双杆形式的镗杆可以不受压电陶瓷传感器和微位移测试传感器的影响而使镗杆直径做得较小，并且长度也能做得较长，以便于加工深小孔。 

图2 双杆微调镗杆结构示意图

图3 微调镗杆在线补偿系统
微调镗杆在线补偿系统
主要组成及工作原理
采用闭环补偿控制的方式来提高镗削加工精度。如图3所示，微调镗杆控制系统主要由以下几部分组成:
(1) 微调镗杆 (包括控制杆和测试杆)，(2) 应变测试仪部分，(3) PZT传感器及驱动电源部分，(4)控制计算机。
在图2中，当镗削力FC变小时，镗刀将向下偏转，测试杆也向下偏转。由应变测试仪测的信号减小，这时计算机输出一个增大的信号给PZT传感器驱动系统，PZT传感器伸长推动控制杆绕柔性铰链支点顺时针方向旋转，这样镗刀向下的偏转就被补偿了。同样，当镗削力FC变大镗刀向上偏转时，PZT传感器的输入电压减小而缩短，控制杆逆时针方向旋转而补偿镗刀向上的偏转。于是在精密镗孔加工过程中，就能够通过微调镗杆系统的PZT传感器的补偿作用有效提高加工精度。
补偿控制模型
为了对加工误差有效地进行闭环补偿控制，必须对加工误差进行在线检测和实时补偿，而且所采用的补偿控制方法不仅要能够补偿系统误差，而且还要能够补偿随机误差。预报补偿控制技术(FCC)是一种非常有效的控制法，这种控制法将加工误差当做是一组时间序列来分析，不仅能够补偿重复性的误差而且还能够补偿随机误差。预报补偿控制技术的主要优点是不必研究各式各样复杂的误差源对加工误差的影响，而且可以直接利用误差序列自身的相关性，根据已测得的误差值来有效预报下一时刻的误差值。为了对镗削加工误差进行实时补偿，镗刀的微位移误差可以用下列的AR(autoregressive)模型来表示： 


其中yt 表示镗刀在t时刻的微位移误差，fj (j= 1,2, ......)是自回归参数，d是白噪声，代表了误差序列中的不回归的随机部分(这里也包含了测试误差)。随着加工的进行，AR模型中的模型参数不断被新采集的信息所修正，这样就使随机模型能始终正确表达镗削加工误差。
预报补偿控制技术的一个主要特点是能对加工误差进行实时的预报，根据前面时刻和现在时刻测得的误差值以及所建立的AR模型来预报将来时刻的误差。这样提前预报误差后，就为实时补偿加工误差赢得了时间。根据公式(1)可以得到提前q步预报的误差值如下： 



该系统采用的是提前一步的AR(3)模型。 图4给出了采用这种模型进行预报的效果示意图，从图中可以看出加工误差的预报值与实际值非常接近，能够满足精密镗削加工中误差补偿的要求。
实验研究
仿真实验
为了确定微调镗杆系统的动态补偿性能，用仿真实验的方法对镗杆系统进行了研究。用一个振动器推动镗刀来模拟切削过程。当振动器产生一组变化频率的振动时，测试微调镗杆系统的动态补偿性能。如图5所示，当振动频率由5Hz变化到40Hz时，用示波器观测到的镗刀在有补偿和没有补偿条件下的位移情况，其中1表示没有补偿条件下的镗刀位移情况，2表示有补偿条件下的镗刀位移情况。从图中可以看出微调镗杆系统能有效的补偿频率为40Hz或以下的动态误差。


镗削实验
在数控车床(MAZAK QUICK TURN 8N)上对微调镗杆在线补偿系统进行了实验研究。实验中加工一个内径为35mm，深度为160mm的孔，工件材料是Al，车床转速为500r/min。在同样的切削条件下对采用补偿和不采用补偿的情况进行了试验，并用圆度仪测试了这两种情况下加工出来的孔的圆度(如图6所示)。从图中可以看出微调镗杆在线补偿系统能有效的提高工件的加工精度。
结论
研制了新型双杆结构的微调镗杆补偿系统，实现了对小而深的孔进行误差在线检测和补偿的精密加工。
采用时间序列分析的方法对镗削加工误差进行建模和预报，试验表明这种预报补偿方法能有效提高镗削加工精度。 

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