數控磨床磨削運動精度分析與控制方法理論研究

黃振宇

（浙江杭機股份有限公司，浙江 杭州 311305）

在信息化與自動化技術快速發展過程中，市場競爭局面也日益激烈。產品快速響應已經成為市場競爭的關鍵。在機械制造領域開始注重高精度與高速發展，磨削加工能夠降低生產成本，所以多數構件都開始應用磨削工藝生產加工。但是對于大型構件來說，因磨床運動軌跡所致誤差，會導致工件幾何形狀誤差，對零件加工表面造成較大影響，所以必須采取有效措施處理。通過應用誤差補償技術不會對機床進行大幅度改造，有助于提升數控機床的運動精度，所以多數地區都投入大量人力物力進行研發。但是部分學者的研究所提出的建模方法無法推廣應用到其他數控機床運動建模中，并且不具備可移植性，關于數控機床的誤差研究還未出現明確結果。

1 提升數控磨床磨削運動精度的有效措施

1．1 磨床的檢修

（1）檢測、修刮導軌：在對床身導軌進行檢修維護后，其必須滿足相關精度要求：垂直平面內，不垂直度小于0.01mm；水平面內，不直讀小于0.001mm。對滑鞍座導軌的接觸點為13點，不垂直度小于0.02mm。檢修平面導軌后，必須滿足以下精度要求，不平行度小于0.02mm、接觸點為13點，不垂直度小于0.01mm。

（2）檢查與維修滑鞍座導軌。對于滑鞍座導軌來說，必須滿足以下精度要求：水平面內與垂直面內，不垂直度分別小于0.001mm和0.01mm，接觸點要求為13點。在檢修和維護滑鞍座平面導軌后，接觸點要求為11點，不平行度小于0.02mm。

（3）調整砂輪主軸、軸瓦間隙：將顏料涂抹在砂輪主軸軸頸，與軸瓦轉研，將軸瓦表面刮除干凈，接觸點為13點。完成之后進行調整安裝，確保砂輪主軸、軸瓦間隙在0.0025mm，防止在具體磨削作業中，使工件出現棱圓。

1．2 主軸電機與砂輪平衡性問題

磨削表面粗糙度會受到主軸電機振動影響，因此必須注重砂輪主軸電機的動平衡問題。砂輪需要兩次平衡，使用金剛筆對砂輪進行修整后，進行粗平衡。之后通過油石進行細化精修，進行精細化平衡。

1．3 修整砂輪

通常來說，在普通磨床上，使用金剛筆對砂輪修整時，表面粗糙度只能達到Ra0.4～0.8hm。為了增加表面粗糙度，必須對砂輪進行兩次修整。在實際修整時可以應用以下技術方法：砂輪粒度選擇46＃～80＃。通過單顆粒金剛筆精細修整砂輪，確保砂輪可以修整出大量等高微刃。在精修過程中，必須保證修整器安裝合理性，進給量控制在5m以你，降低縱向進給速度。在精修處理時，應當仔細辨認儀器所發出的聲音。如果出現沙沙聲音，則表明修整良好；如果出現漸高漸低的聲音，并且伴有不規律的嘟嘟腎陰，則應當檢查工作臺是否產生爬行問題，冷卻是否充分，檢查金剛筆的鋒利性，并且做好相關調整處理。使用金剛筆進行精細化修整之后，使用油石進行細節修理，確保砂輪可以修整出大量等高微刃。在平面磨床上需要將油石磨平。在細節修整期間，必須確保油石平行于砂輪圓周表面，并且接觸砂輪，緩慢進行縱向移動。

1．4 磨削用量

用豪特曼高精密數控外圓磨床FX27-60CNC進行超精磨削時，可保證有效達到≤Ra0.02μm表面粗糙度要求應選用的經驗磨削用量。

2 多體系統理論下的數控磨床運動模型的建模

按照數控磨床的實際情況，提出中多體系統誤差描述方法，包含運動控制、裝配誤差和制造誤差等。此種方法是基于誤差所建立的多系統運行模型。

按照誤差描述方法，在多體系當中的任意點建設位置方程，具體如下：

從上述公式可以推導出數控磨床砂輪中心位置，約束方程如下：

砂輪方位的約束方程如下：

通過上述所介紹的數控磨床相對運動的約束方程，建立理想數控指令、磨削路線，實際磨削軌跡之間的映射關系，以此作為數控磨床精密磨削運動的方程。

3 三坐數控平面磨床運動的精度分析

3．1 幾何誤差分析

此次所研究的三坐標數控磨床，由于存在誤差因數影響，三坐標數控磨床的各運動部件在磨削運動中都存在角位移誤差和線位移誤差，由于不同方向的導軌垂直度誤差均不相同，因此此次研究應用21項誤差產生，對三坐標數控磨床的誤差進行描述。

3．2 磨削過程精密運動控制指令算法

在磨削加工期間，為了確保砂輪運動軌跡的精密性，必須確保在任何時間段內，機床砂輪范圍和理論規劃的方位相同。將上述條件作為基礎，建立數控磨床相對運動約束方程，利用運動學求逆，以此計算粳米磨削運動軌跡相對應的數控驅動指令值。三坐標的數控磨床相對運行約束方程建設，必須給予數控磨床的實際運行軌跡實現，通過迭代法求解運動軌跡方程，將理想條件下的數控指令值作為迭代初始值。通過機床分辨率作為迭代終止條件。在明確砂輪理論軌跡后，還能夠深入分析砂輪的磨損問題。

4 三坐標數控磨床砂輪運動軌跡仿真

此次研究應用雙頻激光干涉測量系統，通過該系統檢測數控磨床定位誤差。建立誤差參數辨識模型，將三坐標數控機床的誤差參數分離出，之后將參數帶入到數控磨床運動模型中，由此開發出數控磨床磨削軌跡仿真，并且加工形成磨削程序，這樣就可以獲得補償前和補償后的數控磨床磨削軌跡圖形。通過分析軌跡模型能夠看出，此次研究所提出的誤差補償理論和方法，有助于提升數控磨床的加工精度。

5 結語

綜上所述，在現代科技快速發展過程中，表面磨削加工技術也得以快速發展。針對表面粗糙度技術拉說，數控磨削機的運行精度誤差明顯高于局部粗糙度，會對工件表面形位精度造成較大影響。此種矛盾問題在中型和大型構件磨削加工中比較常見，所以必須采用合理有效的措施進行處理。在磨削施工期間，為了確保所獲取的砂輪運動軌跡具有較高精度，應當確保機床在任意工況下，砂輪工件與方位與理論規劃的砂輪方位相同，以此提升加工制造的精密度。按照此種條件，通過多體系統運動學理論，能夠基于計及誤差，建立機床砂輪軸心—待磨削工件的運動模型，利用運動學求逆方法，能夠獲得砂輪沿著軌跡運動的數控驅動值。按照此次研究的理論推導過程，多體系統運動學理論在建立、控制和分析數控磨床運動模型中具有顯著效果。通過大量仿真實驗的結果能夠看出，此次研究所提出的理論方法具備可行性，可以應用到數控磨床磨削運動精度分析與控制方法的理論研究中。