提高精密同鏜的加工精度

1、智能制造雜志，13, 379-389, 2001© 2002 Kluwer學(xué)術(shù)出版社，荷蘭制造提高精密同鏜的加工精度M. G. MEHRABI, G. O'NEAL, B. -K. MIN, Z. PASEK , Y. KOREN（密歇根大學(xué)安娜堡分校機械工程系，密歇根州，美國）Lamb Technicon，沃倫，密歇根州，美國2001年4月收到論文并于11月接受摘要：高加工精度的需求日益增長，以獲得更高的精確度和低表面粗糙度，因為它們是保證產(chǎn)品質(zhì)量和性能的關(guān)鍵因素?？偟恼f來，加工操作與不同來源的原始級的誤差是相關(guān)聯(lián)的。因此，加工的尺寸特性通常與期望的標稱值相偏離。誤差來源的

2、識別，測量技術(shù)（在線或離線），其補償有效的策略是盡量減少所需的步驟，并且在某些情況下消除過程誤差。本文將專注于加工操作中特定的同鏜工藝的建模及幾何誤差補償。這是一個正在進行的側(cè)重于為加工長孔而設(shè)計和開發(fā)出一個靈活精密的同鏜站的研究項目的一部分。通過對幾何誤差來源及其組成的簡要概述后，下面介紹一種關(guān)于它們的計算方法。在這方面，反映了機床幾何誤差在刀尖的影響的誤差方程被推導(dǎo)出來了。它表明，這些方程能夠進一步簡化并且不會顯著影響結(jié)果的計算精度。這使得該方法對于實時應(yīng)用更具吸引力。一組從樣機獲得的實驗數(shù)據(jù)被用來研究該方法的有效性，同時也報道了相應(yīng)的結(jié)果。本文通過討論，用不同的方法和工具演示總結(jié)了這些誤

3、差的實時補償。關(guān)鍵詞：加工誤差，數(shù)控機床，加工工藝，精密加工，幾何誤差，誤差補償 1.引言技術(shù)的快速變化與經(jīng)濟全球化創(chuàng)造了一個新的制造環(huán)境，其特點是競爭激烈的市場（國內(nèi)和國際）。制造業(yè)企業(yè)在生產(chǎn)高質(zhì)量產(chǎn)品中的響應(yīng)能力（快速/經(jīng)濟有效應(yīng)對市場的需求）是他們未來成功的關(guān)鍵（Jaikumar,1993; Mehrabi等人,1997）。這種競爭在可以觀察到劇烈波動的客戶需求交付高質(zhì)量產(chǎn)品的汽車行業(yè)里更加激烈。汽車行業(yè)生產(chǎn)過程的主要部分是以機械加工為基礎(chǔ)的，因此，最終產(chǎn)品的質(zhì)量將在很大程度上受到機床精度和產(chǎn)品加工工藝的影響。在涉及生產(chǎn)汽車零部件眾多的加工工藝中，精密同鏜（用于加工發(fā)動機缸蓋和機體）在質(zhì)

4、量和產(chǎn)品需求量方面是一種嚴苛要求的應(yīng)用。該工藝也被認為是主要用于加工凸輪和曲軸軸頸的最重要和難度最大的加工操作之一（見圖1）；這些零部件中長孔長度，小直徑和軸頸之間的距離造成了執(zhí)行這種類型的加工操作的困難。 圖1 凸輪軸軸頸加工過程在本質(zhì)上是非常復(fù)雜的，會有許多影響生產(chǎn)過程和零件加工精度的參數(shù)。因此，一旦一個零件被加工，那么它的實際尺寸是不同于設(shè)計中所期望的規(guī)定尺寸的。雖然它并不總是能夠完全消除的尺寸偏差，理想的是可以將這些變化保持在由公差限定的一定范圍內(nèi)。加工誤差通常分為隨機誤差和系統(tǒng)誤差。隨機誤差是由機床誤差（例如，軸承，間隙等）和操作誤差聯(lián)合引起的；因此，被加工零件的誤差及其尺寸變化遵循

5、通常的正態(tài)分布。另一方面，隨機誤差引起一個方向的漂移，因此，工件的平均尺寸會發(fā)生系統(tǒng)化的偏移(Yandayan and Burdekin, 1997; Ni, 1997)。這些類型的誤差是由切削過程中刀具磨損，機床結(jié)構(gòu)的熱膨脹，刀具的偏轉(zhuǎn)（加工過程中）和刀具、夾具、工件夾緊裝置的性能所引起的。機床的幾何誤差屬于第二類。它們會引起被加工零件尺寸的系統(tǒng)誤差。它們本質(zhì)上是位置相關(guān)的（機器的軸），并且都是軸運動和機器結(jié)構(gòu)的函數(shù)。因此，它們表明了其在刀尖方面的效果，并且直接影響了被加工零件的精度。文獻調(diào)查表明，有許多開展了重點是在機械加工中產(chǎn)生的特定方面的誤差的研究。Rivinand Kang(1987

6、) 和Tlusty (1971)已經(jīng)發(fā)表過了與鏜桿設(shè)計相關(guān)的問題。他們介紹了不同的方法來提高鏜桿的動態(tài)剛度以便保持被加工孔和表面光潔度的幾何精度。為了努力更好地了解加工工藝和所涉及的參數(shù)，刀具和工藝的建模是要研究的重要課題。相關(guān)的是 Iwata 和Moriwaki (1981), Araki (1985) 和 Kashani 等人，(1993) 已經(jīng)開發(fā)出不同的工具和加工工藝模型，這些模型可用于研究工具和機器組件的熱影響和機械扭曲，切削力，孔溫度和振動在被加工零件質(zhì)量上。在相關(guān)補償技術(shù)的研究中，Kashani（1993），Rasmussen（1992）等人和Crawly（1990）等人提出了許

7、多盡量減少刀具振動對表面光潔度質(zhì)量的影響的方法。文獻調(diào)查還表明，有一些研究報道了在機械加工中與尺寸測量技術(shù)，工件精度和建模中的幾何誤差相關(guān)的內(nèi)容。Ni, 1997; Ferreira and Liu, 1991; Donmez 1986等人; Schultschik, 1977; Yandayan and Burdekin, 1996)。Schultschik (1977)，F(xiàn)rench and Humphries (1967) and Leete (1961) 曾考慮加工中的體積誤差，并且已經(jīng)開發(fā)出系統(tǒng)評價機床精度的模型。在一份Ferreira and Liu(1991)發(fā)表的報告中，開發(fā)模

8、型是來估算加工中的幾何誤差，同時機床結(jié)構(gòu)的熱影響也被考慮在內(nèi)。在他們的工作中，他們將加工中的誤差歸類于準靜態(tài)誤差（在刀具和工件之間隨時間緩慢變化的誤差）和動態(tài)誤差。另一方面動態(tài)誤差是由主軸旋轉(zhuǎn)誤差，機床結(jié)構(gòu)的振動（自誘導(dǎo)和強迫）和可變載荷作用下的變形；這些誤差隨時間變化的相對更快。據(jù)報道，準靜態(tài)誤差是非常重要的，幾乎占機床誤差的70?？赡軙⒁獾?雖然加工誤差的來源是不同的,然而對于任何實用目的，它們的凈效應(yīng)應(yīng)該考慮刀尖。幾何誤差遵循相同的規(guī)則，它們的整體效應(yīng)應(yīng)該考慮刀具-工件借口。在本文的以下部分，會講述幾何誤差及其來源的簡要說明和相關(guān)術(shù)語的解釋。表示刀尖產(chǎn)合成誤差的數(shù)學(xué)模型被推導(dǎo)出來。它表

9、明這些方程可以進一步簡化而不會顯著影響結(jié)果。這使得該方法用于實時應(yīng)用更具吸引力。一組從樣機獲得的實驗數(shù)據(jù)被用來研究該方法的有效性，并且研究結(jié)果也已報道了。文章結(jié)尾討論了算法的實時補償。2.幾何誤差（定義和記號）機床中有七種類型的幾何誤差，包括角度誤差（俯仰和滾轉(zhuǎn)），直線度誤差和線性位移誤差（滑動）以及機床結(jié)構(gòu)的垂直度誤差（Kim 等人，1987）。圖2說明了用于單一軸的Z軸運動的6項誤差形式。一臺完整機床的誤差描繪是一個漫長而繁瑣的任務(wù)。對于一臺三軸機床，存在21種誤差形式（每根線性軸的6項誤差，加上三種與XY-,XZ-和YZ-矩形平面相關(guān)的誤差）(Kim 等人，1987；Ferreira a

10、nd Liu，1991；Szuba，1998；Mehrabi，1998；Lamb Technicon，1998)。如果有可用的足夠自由度，那么所有的誤差可以被最小化甚至消除。然而,自由度補償?shù)哪康耐ǔＪ怯邢薜?因此該誤差可能只是在軸的行程路線上得到補償。3. 誤差方程的發(fā)展加工操作的主要目的是確保某些重要過程的幾何屬性被保持在不同加工工藝的特定公差范圍內(nèi)?？准庸すに囂卣鞯膸缀螌傩杂校⊿zuba, 1998 ; Mehrabi, 1998 ; Lamb Technicon, 1998）：圓度：所有相交平面上的點和垂直于旋轉(zhuǎn)軸的一個平面的度是和軸線等距的：同心度：用來衡量任何兩個或更多個零件特征的

11、度，如圓柱形表面和圓形孔有一個共同的軸線；圓柱度：是表示零件上圓柱面外形輪廓上的各點，對其軸線保持等距狀況，如汽缸的所有點是從旋轉(zhuǎn)軸的距離相等;垂直度：一個零件特征所有的點，例如曲面，直線或者軸線與參考平面，線或者軸線是等距的；表面粗糙度：生產(chǎn)過程中固有的表面不規(guī)則等，刀具加工凹槽。這些屬性大多受刀尖在XY平面內(nèi)位置的精確性和刀尖運動方向的影響。因此，X軸和Y軸的誤差補償是特別重要的。按照慣例，如果壓板的功能（見圖3）是攜帶工件，這些誤差都是相對于名義刀具位置測量的；否則測量均采用相對于一個名義工件位置。在孔加工中，刀具是一個移動元素，因此一組固定的基準坐標軸需要在夾具中心線上。此外，一組單獨

12、固定的基準軸需要在壓板的中心來定義刀尖的位置（見圖3）。 誤差方程可以用關(guān)于繞軸旋轉(zhuǎn)的矢量矩陣來導(dǎo)出（Groover 等，1986）例如： 圖2 六個基本軸誤差（i），偏航誤差實例（ii）及其組成成分（iii），Z軸實例圖3 單軸機的示意圖。 000000001001 （1） 100 000000 00 1 （2） 00010 000000 1 （3） 對線性翻譯的側(cè)傾，俯仰，偏航和均勻的轉(zhuǎn)換例如： 100a010b00001c01 (4)對于直線度誤差。在上面的等式中，（j）條是滾動，俯仰和偏航誤差；a，b和C是X軸，Y軸和Z軸的直線度誤差。為了計算刀尖的所有誤差，方程1-4應(yīng)乘上用連續(xù)的方

13、式描述其它軸誤差的類似矩陣，這使得計算的體積相對較大。另外，垂直度誤差（機床軸線之間的誤差）需要被包含在這些計算中。然而，由于所涉及的角度非常?。ㄔ诮敲肓考墸?，導(dǎo)致二次項從這些轉(zhuǎn)變中可以忽略不計。這是相當于獨立地處理每個單獨誤差的影響，并將其疊加，以獲得在刀尖處總誤差。例如，參照圖2，可以看出，Z軸（即）一個小的滾動誤差的凈效應(yīng)會在X軸和Y軸產(chǎn)生兩個誤差分量。這對于其它的角度誤差，直線度誤差和機床結(jié)構(gòu)的垂直度誤差也是正確的?？梢酝ㄟ^疊加這些誤差成分而得到刀尖的總誤差。此外，三角函數(shù)的近似（即，和）可用于進一步簡化這些關(guān)系。對于所考慮其運動學(xué)機器（參見圖2和圖4），以下方程從三個方向的誤差中獲得

14、（Szuba 1998；Mehrabi，1998）： （5） （6） （7）上述方程中使用的下列符號：x，y和z是刀尖總誤差的組成成分（即由控制器對每根軸所需運動進行補償）；是軸的角度誤差；是機床機構(gòu)的垂直度誤差；i（j）i，j=x，y，z是軸的直線度誤差，x，y和z是坐標軸；L和D是工具欄（見圖2）的長度和中心高度（沿Y軸）；S是求和符號。這些方程（即方程5-7）提供了機床三軸產(chǎn)生的誤差的瞬時幅值需要由控制器來補償。仔細看看這些方程表明從計算的角度來看，它們是相當簡單的，所有的計算可以實時完成。當與典型的計算和所涉及到的矩陣計算相比較時，方程1-4在誤差計算中使用時，人們可以很容易地看到這種

15、方法的好處。涉及的角度誤差可以通過（開/關(guān)線）測量來獲得;對于線性誤差來說也是正確的（例如，矩形和直線度）。 圖4 機器示意圖4.實驗結(jié)果與補償算法的討論 為了研究該方法的有效性，從機器上獲得一組數(shù)據(jù)（共計21臺） 。實驗是在機械加工誤差測量ASME指引的基礎(chǔ)上進行的（ASME準則， 1992）。這臺機器是在其快速移動速度（1.0m/s）下運行的，并且加速度為該機器的最大加速度（ 1.08 m/ ）。該數(shù)據(jù)是經(jīng)過機器預(yù)熱一段時間后采集的。激光干涉儀用來測量直線度誤差和電子水準儀測量角度誤差（見圖5）。角度和直線度誤差的實驗數(shù)據(jù)樣品如圖6所示；實驗裝置和測量數(shù)據(jù)的詳細信息可以在Szuba（199

16、8年）和Mehrabi（1998）中查詢。圖7顯示了通過使用精確的方程（即使用每根軸對應(yīng)的方程1-4）簡化方程（即方程5-7）所得到的計算誤差的范圍。可以看出，一般而言，刀尖誤差（由于計算）在所有三根軸是在± 0.0014之內(nèi)的。為了獲得一個典型鏜孔工藝的精度，這是十分有效的。 因此，根據(jù)誤差計算該方法雖然提供了非常兼容的結(jié)果,它有一個非常適合于實時應(yīng)用簡潔形式,。 圖5 用于測量水平軸的偏航誤差的實驗裝置示意圖4.1 誤差糾正技術(shù) 如前所述，誤差補償僅限于軸運動的方向。為了充分補償誤差（角度和線性），這需要額外的自由度，而額外自由度通常是很難產(chǎn)生的。一個擬議的解決方案是使用被設(shè)計為

17、該項目一部分的智能工具''（Koren and Pasek, 1998; Pasek and Szuba, 1998; Lamb Technicon, 1998）。智能工具設(shè)計背后的想法（見圖8）是在驅(qū)動器的幫助下使刀尖沿徑向移動，例如壓電致動器，可以補償鏜桿偏轉(zhuǎn)和幾何誤差的組成部分。在同鏜工藝過程中，鏜桿的懸垂部分是比較大的。因此，一些套在軸頸的導(dǎo)向塊被用來當作它的支撐。一旦置于發(fā)動機箱體內(nèi)部，這些導(dǎo)向就會限制鏜桿的徑向移動。智能工具的應(yīng)用是一種用來增加用于補償?shù)淖杂啥葦?shù)目，同時克服了這一限制。智能工具考慮了刀尖在直徑方向的精確移動，補償鏜桿撓度和部分幾何誤差。最后指出，智能

18、刀具在直徑方向的移動是有限的（小于50），軸的運動和智能刀具的徑向運動的組合應(yīng)該用于補償XY平面的線性誤差（通過求解方程5-7獲得）。值得一提的是不同的機械加工中誤差補償技術(shù)是由其圖6 關(guān)于偏航和直線度誤差的典型實驗數(shù)據(jù) 他研究人員提出的。例如， Kaiji 等人（1995）提出了一個有效的可以控制或消除滾珠絲杠間隙的滾珠絲杠機構(gòu)設(shè)計準則。據(jù)報道，超精密定位可以通過組合軸運動（對于相對粗糙的運動）和用于精細運動的壓電驅(qū)動器來實現(xiàn)。然而，他們的工作重點是消除間隙，它是加工誤差的一個組成部分。在這項研究中，壓電驅(qū)動器被用來精確定位刀尖相對于工件運動。因此，利用這種方法，由刀尖反映的誤差綜合影響被有

19、效的補償了。智能工具包括以下幾部分組成 (Koren和Pasek，1999;；Koren 等人，1999；Pasek 和Szuba，1998； Szuba，1998)： 圖7 由于計算導(dǎo)致的誤差范圍 圖8 職能刀具的原理圖（）刀尖的轉(zhuǎn)換機制，（）激光測量系統(tǒng)，（）計算機控制器，及（iv）用于通信的無線發(fā)射器（見圖8）。刀尖轉(zhuǎn)換機制采用的是壓電驅(qū)動器，可為鏜桿提供高達50m的相對位移的。位置靈敏的光電探測器為刀尖和鏜桿終了位置提供了XY平面的實時反饋信號。控制器在帶有133兆赫的AMD5×86 CPU和一個模擬接口的PC/104計算機上實現(xiàn)。所有的控制算法通過使用使用一個存儲器集成電路

20、被嵌入控制器，并且控制回路具有0.15ms的采樣周期。智能刀具控制器使用一個標準的串行數(shù)據(jù)端口和機器控制器交流，通過無線感應(yīng)旋轉(zhuǎn)發(fā)射器，這也為驅(qū)動器和電子設(shè)備傳輸電力。主控制器可以啟動和停止控制回路，以及上傳數(shù)據(jù)和參數(shù)到智能工具上或從智能工具下載。圖9顯示了智能工具的階躍響應(yīng)和實驗結(jié)果說明了其跟蹤性能。由刀尖偏移引起的誤差的時間響應(yīng)歷程顯示在同一張圖中，從在鉆孔相對于主軸軸線在不同的主軸轉(zhuǎn)速中心位置刀尖的偏移而產(chǎn)生的誤差的典型時程（在這種情況下1000轉(zhuǎn)，10000轉(zhuǎn)），并在補償他們的智能工具的實時性能示于相同的數(shù)字。可以看出智能工具能夠以一種非?？旌鸵恢滦缘姆椒▉硌a償誤差。圖9 智能工具使用

21、時誤差補償?shù)膶嶒灲Y(jié)果。主軸轉(zhuǎn)速（a）1000rpm，（b）10,000rpm 圖10 通過使用雙線性驅(qū)動器系統(tǒng)的節(jié)距誤差補償線性誤差可以通過剛剛描述的方法進行補償，而角度誤差則更難以補償，因為大多數(shù)機器不提供任何角度運動。一種可能的角度誤差補償是利用本機的特殊結(jié)構(gòu)，該機器允許生成額外的自由度（但有限）（Koren等人，1999)。通過在Y或Z方向使用雙線性驅(qū)動器系統(tǒng)（參見圖10），節(jié)距誤差可以得到部分補償。結(jié)果分析表明（Szuba，1998；Mehrabi，1998）Z軸的節(jié)距誤差在刀尖誤差有個主導(dǎo)性的影響。應(yīng)當注意到機器的控制結(jié)構(gòu)（軟件/硬件）在成功執(zhí)行任何補償方案中扮演了一個關(guān)鍵角色。帶有

22、專有控制器的機器的實時誤差補償通常是困難的，因為它們需要一些額外的硬件和接口部件 (Ni，1997；Donmez等人，1986)。但是在帶有開放式架構(gòu)的控制器的機器中，各種方案可以很容易地被實現(xiàn)(Koren等人，1996)。設(shè)計中的機器具有開放式架構(gòu)的控制器，因此訪問它的控制器和添加或刪除額外的軟件/硬件是相當方便的。5. 結(jié)論 本文的重點是與同鏜工藝相關(guān)的幾何誤差和這些誤差補償?shù)姆椒?。這里提供了有關(guān)誤差計算的一般過程。這表明通過使用三角函數(shù)的近似而不帶來結(jié)果的顯著變化來簡化方程是可行的。通過使用智能工具和雙滾珠絲桿方法修正角度誤差的誤差補償算法被討論了，并且給出了實驗結(jié)果。感謝筆者很感激NI

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