当前位置：文档之家 › 超精密车床加工端面实时误差补偿及平面度测量系统

超精密车床加工端面实时误差补偿及平面度测量系统

  • 格式：pdf
  • 大小：170.69 KB
  • 文档页数：4

超精密车床加工端面实时误差补偿及平面度测量系统哈尔滨工业大学　王清明　卢泽生　董　申 摘要　本文提出了一种超精密车床加工端面实时误差补偿方法,并对工件加工表面进行在线测量,用最小二乘方法计算平面度误差,结果表明零件平面度改善了62%,证明所提方法是可行的。

关键词:超精密车床　端面加工　实时误差补偿　平面度测量图1　T型布局的超精密金刚石车床俯视图图2　X 溜板运动直线度误差1　概述误差补偿和在线测量技术是机械加工中的重要研究方向,是实现质量保证和加工测量一体化的技术关键。

随着微进给技术、测量技术、微电子和计算机技术的发展,误差补偿和在线测量技术的效果愈来愈高,已经公认为在一定机床制造精度基础上进一步提高和保证加工精度的主要手段。

平面度是零件的一个非常重要的技术要求,对于某些特殊零件平面度要求很高,如惯导系统中支撑板要求平面度误差Φ0113μm ,激光陀螺平面反射镜要求平面度误差在0103～0106μm 。

哈尔滨工业大学承担了加工高精度平面镜的任务,新研制的亚微米超精密数控车床已通过鉴定,其导轨直线度误差指标规定Φ012μm/200mm ,在这台机床上加工高精度端面,采用了实时误差补偿技术。

在超精密机床上,在刀具的位置上换成传感器,即可实现加工零件的测量,这样机床既可作加工用,又能作测量用,扩大了超精密机床的应用范围,也解决零件测量的难题[1],因此开发在线测量技术且有重要意义。

2　误差补偿原理在超精密车削加工中,影响零件加工精度的因素很多,如果不进行综合分析和控制,每个因素都可能成为影响加工精度的主要原因而使零件精度超差,因此在补偿加工前对机床的所有误差源进行综合分析,搞清楚每个误差源对零件加工精度的影响,再基于影响不同加工表面的误差源不同[2],在加工不同表面时,有针对性地分析影响所加工表面加工精度的误差源,然后对这些误差源进行综合控制,以提高所加工表面的加工精度。

如图1所示,超精密车床加工端面时影响加工精度的因素如下:X溜板运动直线度误差;主轴角摆和轴向窜动误差;主轴热伸长;主轴轴线和X溜板运动轴线的垂直度;在切削力作用下Z溜板和主轴线的轴向位移以及X溜板的径向位移;刀具磨损。

经实测X溜板运动的导轨直线度误差为0114μm/50mm,测量方法如图5所示,具体测量值如图2所示,测量采样间隔为0130s,X溜板运动速度为150mm/min;主轴轴线和X溜板运动轴线的垂直度误差通过测量加工零件确定,这是一个很重要的误差源,在机床安装调整时,保证该项指标≤1″是困难的,经计算知道当主轴轴线和溜板运动轴线的垂直度误差等于1″时,在车削直径为100mm的端面时引起的平面度误差为0124μm;主轴轴向窜动≤0104μm;主轴角摆对加工平面度的影响是二次误差,再加上零件轴向距离很短,只有5mm,所以影响较小;由于采用磁性联轴器把电机和主轴隔离,机床所用的径向轴承和推力轴承均为气浮轴承并采用主动冷却,主轴在1500r/min转速下连续工作3小时,热伸长经实测相对而言很小;主轴轴向刚度≥160N/μm,Z溜板轴向刚度≥150N/μm,X溜板径向刚度≥150N/μm,而切削力只有几十克,所以影响也较小。

由以上分析知道:影响零件端面加工平面度的主要因素是:X溜板运动直线度误差;主轴轴线和X溜板运动轴线的垂直度误差。

由于在实测过程中发现溜板的直线度误差随机性成分较大,因此在补偿过程中,决定实时测量X溜板的直线度误差,激光器的采样值用δ1表示;直接测量主轴轴线和X溜板运动轴线的垂直度误差δ2不便,因此通过测量已加工零件的方法得到该误差值,这样准确测量X溜板的直线度误差及主轴轴线和X溜板运动轴线的垂直度误差就成为实现实时误差补偿的关键。

X溜板的直线度误差采用激光测量得到,为了克服溜板转动带来的误差,把渥拉斯顿棱镜和刀尖同轴线地安装在刀架上[3],同时为了避免加工中冷却液和气流对测量的影响而采用一定的封闭措施。

在补偿加工前,首先多次测量X溜板的直线度,拟合出趋势项δ3,以便在补偿时剔除,主轴轴线和X溜板运动轴线的垂直度造成的误差δ2由图3计算,α为垂直度误差,这样在某点的补偿量为:δ=δ1+δ2-δ3其中,δ1为X溜板的直线度误差δ2为主轴轴线和X溜板运动轴线的垂直度误差δ3为误差趋势项3　补偿加工实验311　实验条件材料:铝圆盘,直径 100mm,厚10mm;主轴转速:1200r/min;进给量: 011mm/s;切削深度:3μm;所用设备:5528激光测量系统;DWS超精密振动-位移测微仪一台;压电陶瓷微进给驱动系统,包括压电陶瓷驱动电源(其电压范围为0～300V)和压电陶瓷微进给刀架(工作范围为0～10μm);超精密数控车床一台;金刚石刀具一把。

312　实验过程首先调整激光器,尽量使激光束和X溜板运动方向平行;其次测量X溜板进退两个图3　δ2的计算图图4　补偿系统误差测量原理图 图5　补偿控制系统框图图6　采样点位置示意图方向的直线度误差,测量精度为0101μm ,用最小二乘法拟合两个方向的趋势项(经计算两者是一致的),以便在补偿和测量时消除趋势项的影响;然后通过找正安装好零件,保证工件和主轴同心。

经过多次实验证明:压电陶瓷电压-位移曲线在160～220V 范围内线性最好,而且电压以10V 为增量,只要从0V 电压开始上升,电压-位移曲线的重复性就很好[4]。

这样即可保证用任一条曲线拟合直线斜率不变(160～220V 段内),在160～220V 电压范围内刀具移动范围为214μm ,完全能满足补偿要求。

本补偿实验采用开环控制,为了能在补偿时使用压电陶瓷电压-位移曲线中最好的一段和尽量补偿要求。

本补偿实验采用开环控制,为了能在补偿时使用压电陶瓷电压-位移曲线中最好的一段和尽量克服其蠕变影响,在对刀前先给压电陶瓷预加190V 电压,令其伸长,并给予足够时间使其充分蠕变,同时用抗干扰强的电感测微仪检测,一直稳定到0101μm 。

当压电陶瓷稳定以后,由主轴箱进给实现对刀和给定切削深度,即可开始补偿加工。

实验分两步:(1)在不补偿的情况下加工一次零件,测量加工端面;(2)由主轴箱进给重新对刀,在同样条件下再补偿加工一次零件,再次测量加工端面。

4　平面度测量及实验结果分析平面度误差数据的获得:数控机床的转速范围为48～3000r/min 无级调速,把主轴转速降至60r/min ;把刀具换成电容传感器,把其电压输出连到MC -1249光隔离模入接口板上,从工件中心向外测量,再把传感器对准中心后,把传感器的值作为零点。

传感器相对工件的运动轨迹为阿基米德螺线,其极坐标方程为:ρ=-(θ+π)/2π　-π≥θ≥-97π 为了计算平面度方便,把极坐标方程化为直角坐标参数方程,即:x =-(θ+π)cos θ/2πy =-(θ+π)sin θ/2πX -π≥θ≥-97π其中θ=2πt 0≤t ≤48s图7　补偿后各点平面度偏差分布 由上面方程可以看出:主轴转一圈,传感器沿与加工相反的方向径向移动1mm(X溜板移动速度范围0～200mm/min),工件半径为50mm,考虑到测头直径,采样工件48圈,采样间隔为011s,即每圈采10个点,采到481点时停止采样,采样点如图6(为了清楚起见,只画出五圈,即:-π≥θ≥-11π,顶点为采样点),在工件外围区域采样间隔可以大一些。

根据实际情况可以调整主轴转速和溜板的运动速度以得到合理采样间隔。

每个点的平面度偏差数据是传感器、激光器和垂直度误差三者的代数和,这样即可得到各测量点的平面度偏差值(x i,y i,z i),其分布如图7所示。

用最小二乘法计算平面度结果如下:非补偿加工时零件的平面度　0132μm补偿加工时零件的平面度 0112μm由计算结果知:补偿后平面度提高了62%,说明用该方法补偿效果显著。

补偿加工中没有考虑主轴轴向窜动,同时压电陶瓷进给也有误差,要想进一步提高加工精度,这两方面都应该受到控制。

5　结论 实验结果表明,利用所提方法进行平面度补偿加工能大大提高零件的平面度,激光测量系统精度高,用激光测量系统实时补偿导轨直线度,有很大的使用价值。

精密、超精密机床应该具有检测自身误差源和所加工零件精度的能力,并能根据所加工零件的实际情况,在必要的条件下自动进行修正加工,以保证零件精度要求,这样机床本身就是精密测量机构,这是精密、超精密机床发展的大趋势。

参考文献1　何雅全,吴明根编著1超精密加工技术基础1航空机载设备制造中心&国家超精密加工实验室,19932　J MOU.An adaptive error correction method using feature -based analysis techniques for machine performance im2 provement part1:theory derivation.ASME Journal of En2 gineeering for Industry,1995,11(117):584～5913　C J Li.On-line roundness error compensation via P-in2 tegrator learning control.ASME Journal of Engineering for Industry,1992,11(114):476～4814　Seung-Base J ung.Improvement of Scanning Accuracy of PZT Piezoelectric Actuators by Feed-Forword Model-reference Control.PRECISION EN GIN EERIN G,1994,1(16)(本文1998年4月17日收到)(编辑　张学)(上接第43页) 称重天平实质上是把重量变成位移,再利用电感型传感器将位移转换成电信号的过程。

由于采用了比较测量方式,使大、小头称重传感器的输出信号经过必要的数据处理后就代表去重量,该信息即是控制去重设备工作的依据。

连杆去重均利用铣削加工方式,铣刀按称重天平测得值转换成进给信号脉冲数,根据不同机器的结构形式,去重铣床的布置也有所不同,但工作方式却相同。

去重铣刀是一种将刀齿按螺旋线分布在刀盘端面上的特殊铣刀,这种铣刀除了回转主运动外,只要再有一个轴向进给运动就可以完成去重加工。

图3是一台全自动连杆称重去重设备,有称重、去重、检验和上下料等四个工位,在互成90°的圆周方向布置,其中上下料工位就处于直线间歇式输送料道旁,图中正显示一工件被抓起(或将放下)的状态。

在任何一种称重去重自动机上,经去重的连杆都需要再经过检查工位,以判断其校正后的工件是否合格或属于合格品中的哪一档。

合集下载

数控机床工作台的定位精度检测与调整技巧

数控机床工作台的定位精度检测与调整技巧

数控机床工作台的定位精度检测与调整技巧数控机床工作台是现代制造业中不可或缺的重要设备，其定位精度直接关系到加工零件的质量和精度。

本文将为大家介绍数控机床工作台的定位精度检测与调整技巧。

一、定位精度检测方法1. 平面定位精度检测：将工作台移动到机床最大行程的两端，将测量时的测头放置在工作台上，并对两个端点进行平面度测量。

根据测量结果，计算平均偏差，以评估工作台的平面定位精度。

2. 垂直定位精度检测：将工作台移动到最高点或最低点，将测量时的测头放置在工作台上，并对工作台进行垂直度测量。

根据测量结果，计算垂直度偏差，以评估工作台的垂直定位精度。

3. 水平定位精度检测：将工作台移动到机床最大行程的两端，将测量时的测头放置在工作台上，并对两个端点进行水平度测量。

根据测量结果，计算平均偏差，以评估工作台的水平定位精度。

4. 位移重复性检测：将工作台移动到同一个位置，并多次测量工作台的定位偏差。

根据测量结果，计算位移重复性误差，以评估工作台的定位精度。

二、定位精度调整技巧1. 调整导轨与滑块：导轨与滑块是数控机床工作台的关键部件，直接影响着定位精度。

通过调整导轨与滑块之间的间隙，减小摩擦力，可以提高定位精度。

调整时需仔细测量每个位置的间隙，并确保在规定范围内。

2. 调整传动系统：传动系统的精度也是影响工作台定位精度的重要因素。

可以通过调整传动装置的齿轮啮合间隙、传动带的张力以及传动链条的松紧度来提高定位精度。

3. 检查并更换磨损部件：长时间使用后，机床工作台的关键部件可能会出现磨损，导致定位精度下降。

及时检查并更换磨损的部件，可以恢复工作台的定位精度。

4. 调整液压系统：液压系统的稳定性对工作台的定位精度有重要影响。

可以通过调整液压泵的工作压力、检查液压缸的密封状况，保证液压系统的正常工作，提高工作台的定位精度。

5. 关注温度变化：温度变化也会对工作台的定位精度造成影响。

数控机床工作台应放置在稳定的温度环境中，并定期检查温度变化对定位精度的影响，必要时进行调整或采取温度补偿措施。

基于CPSO-RBF网络的数控机床热误差实时补偿系统研究

基于CPSO-RBF网络的数控机床热误差实时补偿系统研究

第37卷第4期 齐 齐 哈 尔 大 学 学 报（自然科学版） Vol.37,No.4 2021年7月 Journal of Qiqihar University(Natural Science Edition) July,2021基于CPSO-RBF网络的数控机床热误差实时补偿系统研究丁传东，姚芝凤，李腾，杨羚（齐齐哈尔大学 机电工程学院，黑龙江 齐齐哈尔 161006）摘要：目前，生产制造正向着更加精密化、智能化的柔性制造方向发展，但大多数控机床的智能化程度依然有限，导致不能对生产加工过程中产生的误差进行实时反馈补偿。

以RBF神经网络技术为基础，并通过引入CPSO算法来对RBF神经网络进行训练优化，构造了数控卧式镗床的主轴热误差预测模型，并针对生产加工过程中产生的热误差设计了主轴热误差实时补偿方法。

最后应用MATLAB仿真软件对主轴热误差的实时补偿系统的效果进行验证，表明了补偿方法的可行性和有效性。

关键词：CPSO算法；热误差预测；数控机床；RBF神经网络；热误差实时补偿中图分类号：TG659;TP183 文献标志码：A 文章编号：1007-984X(2021)04-0001-04对于超精密机床而言，热误差是影响数控机床加工精度的重要因素之一[1]。

机床因受热变形而引起的误差占机床总误差的40%~70%，是精密和超精密加工过程中主要的误差来源[2]。

因此，减小机床热误差对提高机床加工精度至关重要。

罗勇等[3]建立了车床主轴径向热误差的线性回归模型，并搭建了热误差补偿系统。

验证表明该补偿系统能够明显降低车床主轴径向热误差值，将精度提高50%以上。

任兵等[4]对BP神经网络热误差补偿方法进行改进，通过利用PSO算法的全局搜索能力对BP神经网络进行优化训练，提高了热误差预测精度。

Li等[5]将一种改进粒子群优化（IPSO）算法用于优化BP神经网络的结构参数，从而提高了神经网络预测模型的建模效率。

本文针对某型号的数控卧式镗床的主轴部件系统，通过借助CPSO（Chaos Particle Swarm Optimization, CPSO）算法来训练优化RBF神经网络权值等结构参数，提高RBF神经网络收敛的速度、稳定性及泛化性能。

精密超精密加工技术

精密超精密加工技术

精密超精密加工技术精密及超精密加工对尖端技术的发展起着十分重要的作用。

当今各主要工业化国家都投入了巨大的人力物力,来发展精密及超精密加工技术,它已经成为现代制造技术的重要发展方向之一。

本节将对精密、超精密加工和细微加工的概念、基本方法、特点和应用作一般性介绍。

一、精密加工和超精密加工的界定精密和超精密加工主要是根据加工精度和表面质量两项指标来划分的。

这种划分是相对的，随着生产技术的不断发展，其划分界限也将逐渐向前推移。

1．一般加工一般加工是指加工精度在10µm左右（IT5~IT7）、表面粗糙度为R a0.2µm~0.8µm的加工方法，如车、铣、刨、磨、电解加工等。

适用于汽车制造、拖拉机制造、模具制造和机床制造等。

2．精密加工精密加工是指精度在10µm~0.1µm（IT5或IT5以上）、表面粗糙度值小于R a0.1µm的加工方法，如金刚石车削、高精密磨削、研磨、珩磨、冷压加工等。

用于精密机床、精密测量仪器等制造业中的关键零件，如精密丝杠、精密齿轮、精密导轨、微型精密轴承、宝石等的加工。

3．超精密加工超精密加工一般指工件尺寸公差为0.1µm~0.01µm数量级、表面粗糙度R a 为0.001µm数量级的加工方法。

如金刚石精密切削、超精密磨料加工、电子束加工、离子束加工等，用于精密组件、大规模和超大规模集成电路及计量标准组件制造等方面。

二、实现精密和超精密加工的条件精密和超精密加工技术是一项内容极为广泛的制造技术系统工程，它涉及到超微量切除技术、高稳定性和高净化的工作环境、设备系统、工具条件、工件状况、计量技术、工况检测及质量控制等。

其中的任一因素对精密和超精密加工的加工精度和表面质量，都将产生直接或间接的不同程度的影响。

1．加工环境精密加工和超精密加工必须具有超稳定的加工环境。

因为加工环境的极微小变化都可能影响加工精度。

数控机床检修：几何精度检验 5 - 平面度测量设备

数控机床检修：几何精度检验 5 - 平面度测量设备

15123456789101112Example measuring range 0 m to 15 m, ± 1,5 mm Example MPE or linearity 1.2 % of full scale Example resolution 0,01 μm/m Laser interferometer with angular optics 激光干涉仪与角度测量光学部件Name of instrument Laser interferometer with flatness optical accessory Example size in mm 70 mm × 40 mm × 40 mm (optical unit only)Long-term stability of measurement -Equivalent thermal expansion coefficient -Related standards NoneExample repeatability 2′′Frequency response -Operating environment Workshop environment.Reference to ISO 230 series-13The angular interferometer is attached to the turning mirror and the angular reflector is attached on top of the selected flatness base. The angular interferometer is placed in the path between the laser head and the angular reflector.角度干涉仪安装在旋转镜上，角度反射器安装在选定测量平面度的底座上。