高精度軸類零件加工誤差補(bǔ)償技術(shù)研究

于陽

（中山市中等專業(yè)學(xué)校，廣東 中山 528458）

1 微動(dòng)刀架

1.1 設(shè)計(jì)要求

機(jī)床的幾何精度主要取決于兩個(gè)方向，分別是非誤差敏感方向、誤差敏感方向。由于機(jī)床幾何精度較高，所以只需要補(bǔ)償誤差敏感方向幾何精度，換言之，要想確保生產(chǎn)零件具有較好的精度，需要補(bǔ)償Z軸X向以及X軸B角。如果新機(jī)床誤差值在4.91μm左右，且大直徑軸類零件誤差定位為5μm，則刀架補(bǔ)償行程應(yīng)是9μm。刀架剛度不僅要符合切削精度的需求，還應(yīng)符合頻響需求。首先，在切削精度方面，如果基于超聲振動(dòng)的環(huán)境，刀架切削力為1N，形變最大值應(yīng)小于0.1μm，表明刀架剛度值應(yīng)在9N/μm以上；其次，在固有頻率方面，刀架固有頻率需要介于超聲振頻與機(jī)床振頻之間，假設(shè)機(jī)床振頻是2kHz，超聲振頻是19kHz，則刀架的一階頻響應(yīng)在2kHz以上，而六階頻響最大值不能超過19kHz。

1.2 微進(jìn)給驅(qū)動(dòng)

微進(jìn)給機(jī)構(gòu)以微進(jìn)給驅(qū)動(dòng)為核心，微進(jìn)給驅(qū)動(dòng)對(duì)該機(jī)構(gòu)性能有著較大影響，還會(huì)影響該機(jī)構(gòu)的性能參數(shù)。因此，要想確保微進(jìn)給刀架符合設(shè)計(jì)要求，必須選擇適宜的微進(jìn)給驅(qū)動(dòng)。選取壓電陶瓷充當(dāng)微進(jìn)給驅(qū)動(dòng)，可以確保刀架具有良好的頻響、剛度以及精度，本文以壓電陶瓷為例。該壓電陶瓷的具體參數(shù)見表1。

1.3 導(dǎo)向機(jī)構(gòu)

壓電陶瓷在生產(chǎn)輸入位移信號(hào)過程中，需要一個(gè)導(dǎo)向結(jié)構(gòu)對(duì)信號(hào)進(jìn)行定向輸出，該機(jī)構(gòu)必須具有較高分辨率、良好線性度以及高精度等優(yōu)點(diǎn)，這樣才能確保微進(jìn)給具有快、準(zhǔn)、穩(wěn)特性。常見的導(dǎo)向結(jié)構(gòu)有四個(gè)，分別為滾動(dòng)導(dǎo)軌、氣浮導(dǎo)軌、滑動(dòng)導(dǎo)軌、柔性支持。滾動(dòng)導(dǎo)軌穩(wěn)定性能較差，易引發(fā)振蕩；氣浮導(dǎo)軌位移緩慢，也極易引發(fā)振蕩；滑動(dòng)導(dǎo)軌位移緩慢，經(jīng)過摩擦?xí)a(chǎn)生大量熱能，在很大程度上制約了精度；柔性支撐位移較快、高分辨率，可以實(shí)現(xiàn)無間隙傳動(dòng)。本文以柔性支撐為微進(jìn)給結(jié)構(gòu)。

表1 壓電陶瓷的具體參數(shù)

2 微動(dòng)刀架的控制系統(tǒng)

2.1 壓電陶瓷所具備的特性

首先，遲滯性。壓電陶瓷是一種鐵電體，其居里溫度要小于室溫，內(nèi)部電場(chǎng)穩(wěn)定性較差，易受到外界電場(chǎng)的影響，由此衍生位移輸出，即逆壓電效應(yīng)，應(yīng)變公式：，s表示應(yīng)變，E表示電場(chǎng)強(qiáng)度，d表示電壓常數(shù)，m表示電致的伸縮系數(shù)。壓電陶瓷的組分是晶格，晶格會(huì)隨著電場(chǎng)變化而變化，在變化過程中，由于內(nèi)在阻力的作用，會(huì)引發(fā)遲滯現(xiàn)象。其次，蠕變性。經(jīng)過加壓處理后，壓電陶瓷的壓值還會(huì)具有一定的波動(dòng)情況，需要一定的時(shí)間，才能逐漸趨于穩(wěn)定，主要原因是基于外在電場(chǎng)的作用，晶格會(huì)產(chǎn)生內(nèi)摩擦力，導(dǎo)致壓電陶瓷無法瞬間極化。由此可見，其具有蠕變性。

2.2 控制方案

首先，遲滯性控制方案。可以選擇開環(huán)控制手段，構(gòu)建一個(gè)相應(yīng)模型，這樣不僅可以對(duì)壓電陶瓷的遲滯性進(jìn)行實(shí)時(shí)控制，還可以確保控制精度。現(xiàn)階段，已有6種控制模型，一是多項(xiàng)式擬合，這種模型是擬合遲滯模型的小環(huán)與大環(huán)，具有較好的精度，計(jì)算具有一定的快捷性，較適宜在線計(jì)算；二是Dahl，這種模型具有繁多的參數(shù)，很難對(duì)其進(jìn)行有效控制；三是Duhem，該模型難以實(shí)施逆控制；四是Bouc-Wen，該模型可以對(duì)遲滯現(xiàn)象進(jìn)行準(zhǔn)確描述，不過要想確保其設(shè)計(jì)參數(shù)具有準(zhǔn)確性，必須掌握初始值，因此，其準(zhǔn)確值會(huì)受到初始參數(shù)準(zhǔn)確率的制約；五是Maxwell，相較其他模型而言，在階數(shù)相同的情況下，該模型具有良好的控制精度，但其控制單元系數(shù)具有較強(qiáng)的復(fù)雜性，難以明確控制算法；六是，該模型采用雙重積分進(jìn)行計(jì)算，解析式具有較強(qiáng)的復(fù)雜性，且計(jì)算過程繁多，不符合在線計(jì)算要求，該模型通過等效作用，可以把遲滯模型轉(zhuǎn)換為多個(gè)無質(zhì)量、且?guī)ё枘岬幕瑝K彈簧系統(tǒng)，從而促使單元數(shù)量得以提升。多項(xiàng)擬合具有實(shí)時(shí)控制的效能，符合在線計(jì)算要求。優(yōu)于擬合對(duì)象為單一象限的環(huán)，難以保證精度，因此，本文利用該模型擬合全象限大環(huán)。擬合模型如圖1。

圖1 全象限大環(huán)擬合模型

3 在位檢測(cè)以及補(bǔ)償系統(tǒng)分析

3.1 直徑誤差

本文以相對(duì)測(cè)量法對(duì)軸類零件直徑誤差進(jìn)行檢測(cè)，在位檢測(cè)裝置需要具有良好的重復(fù)性精度。在車床三爪卡盤上固定住工件，移動(dòng)量具的兩側(cè)邊框，將其置于工件上部，對(duì)中V型面，然后將兩側(cè)旋鈕旋緊，確保其具有良好的穩(wěn)定性。粗調(diào)旋鈕是處于粘合狀態(tài)，因此，無法對(duì)其進(jìn)行粗調(diào)，生產(chǎn)人員可以對(duì)帶有棘輪的旋鈕進(jìn)行微調(diào)，該旋鈕屬于精調(diào)旋鈕，旋鈕發(fā)出特定聲響時(shí)，便停止測(cè)量。完成數(shù)據(jù)記錄作業(yè)后，旋回精調(diào)旋鈕，然后再進(jìn)行測(cè)量，多次反復(fù)后，對(duì)首次測(cè)量值與反復(fù)測(cè)量值進(jìn)行偏差計(jì)算，偏差最大值便是測(cè)量精度。經(jīng)過實(shí)驗(yàn)，測(cè)量最大偏差為 0.15μm ，由此可知，直徑測(cè)量的重復(fù)測(cè)量精度是0.15μm ，符合軸類零件加工的精度測(cè)量要求。

3.2 微動(dòng)補(bǔ)償?shù)都?/h3>

（2）模態(tài)。選擇激振測(cè)頻法進(jìn)行模態(tài)實(shí)驗(yàn)，基于固有頻率的實(shí)驗(yàn)原理，對(duì)實(shí)驗(yàn)儀器進(jìn)行連接，力錘的差異導(dǎo)致錘頭激勵(lì)信號(hào)也具有一定的差異性。因此，實(shí)驗(yàn)人員應(yīng)結(jié)合上述模擬結(jié)果，對(duì)力錘錘頭進(jìn)行合理選擇，然后順著一階頻響的振動(dòng)方向粘貼加速傳感器，并用力捶對(duì)微動(dòng)刀架進(jìn)行輕敲。這時(shí)測(cè)試儀便會(huì)根據(jù)微動(dòng)刀架的頻響確定其振型，然后將PZT裝置于刀架上，并施加一定的預(yù)緊力。重復(fù)上述作業(yè)內(nèi)容，便可以確定刀架的固有頻率。在預(yù)緊前期對(duì)刀架的固有頻率進(jìn)行測(cè)定，值為1480Hz，經(jīng)過預(yù)警后測(cè)定，值為1820Hz。由此可見，刀架頻率介于機(jī)床共振率與超聲振頻率之間，符合軸類零件的加工需求。

（3）精度定位。利用激光干涉儀檢測(cè)刀架的精度定位，實(shí)驗(yàn)儀器全部連接完畢后，對(duì)其進(jìn)行預(yù)熱處理，預(yù)熱時(shí)長控制在30分鐘左右，然后利用上位機(jī)控制微動(dòng)刀架，為精度定位的間隔值，并記錄檢測(cè)數(shù)據(jù)。通過分析檢測(cè)數(shù)據(jù)可知，精度定位的誤差值為，行程是，符合軸類零件的加工需求。

（4）動(dòng)態(tài)響應(yīng)的特性。在對(duì)實(shí)驗(yàn)儀器進(jìn)行連接以及預(yù)熱處理后，將壓電陶瓷的電源頻率調(diào)至最小，然后加載正弦激勵(lì)信號(hào)，直到電源頻率升至最大值，利用型號(hào)為的傳感器對(duì)位移信號(hào)進(jìn)行輸出處理，數(shù)據(jù)采集卡會(huì)收集輸出信號(hào)，并記錄其對(duì)應(yīng)的各個(gè)頻率的幅值，通過分析幅值可知，壓電陶瓷所輸入的信號(hào)呈現(xiàn)為半波正弦形態(tài)，輸出位移信號(hào)并不具有良好的穩(wěn)定性，不利于系統(tǒng)穩(wěn)定。此時(shí)可以逐漸加大正弦波的輸入頻率，但最大頻率值應(yīng)在200Hz以內(nèi)，這時(shí)可發(fā)現(xiàn)微動(dòng)刀架幅值具有良好的穩(wěn)定性，即使激勵(lì)信號(hào)高達(dá)200Hz，其所輸出的位移信號(hào)仍具有良好的真實(shí)性以及精確性，符合軸類零件加工需求。

4 結(jié)語

本文通過建模實(shí)驗(yàn)，測(cè)定了微動(dòng)刀架的精度定位、動(dòng)態(tài)響應(yīng)、行程、固有頻率、剛度，并分析了在位檢測(cè)裝置精度定位的重復(fù)性能，確定了基于微動(dòng)刀架而設(shè)計(jì)的補(bǔ)償系統(tǒng)以及在位檢測(cè)裝置可以確保軸類零件實(shí)現(xiàn)高精度加工與生產(chǎn)。