外文翻译-传统数控精密轴转动的快速刀具伺服设计.doc
数控车床的六角回转刀架的机构设计（全套含CAD图纸）
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数控车床
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传统数控精密轴转动的快速刀具伺服设计 2000年 6月 5日的压电在 2000年 10月 19日收到 2000年 11 月 7日 摘要： 在传统数控加工中心中精密轴加工技术被提出了。在传统数控车床中，轴是半打开的。精密车削操作是由安装在相同的数控车床的刀架的基于快速刀具伺服驱动的。精密工具的尖端操作是由滑模控制器带动的，该控制器对切削过程和压电驱动器的滞后有很大的变化。 滑模控制器也迅速弥补切削力干扰，并保持在期望的位置的位移测量传感器内的刀尖分辨率（ 快速刀具伺服系统被封装在一台 并且 应用于 在轴承定位车削 上 。 2001年由 关键词：精密 ;车削 ;压电电子 ;执行机构 ;激光位置传感器 ;滑模控制。 精密车削操作通常用于加工对于温度控制的有空气轴承 的 车床 1,2超精密轴和光学部件。虽然超精密车削机床工具可以提供亚微米精度运动， 但 他们是相当昂贵的，而且必须保持在温控的，稳定的客房有清新的空气过滤。根据不同的应用，微定位 制 动器也可以作为超精密机器的一部分使用或作为一个模块化的连接到常规的机床 。本文重点介绍基于快速刀具伺服的压电驱动器， 该驱动器 可以连接到刀具在短行程转向操作的精确定位 的 标准数控转塔机床的车削中心 。 *通讯作者。电话： +1+1 Y. 08901/ $ - 2001年由 00） 0011854 国际期刊机床与制造 41（ 2001） 953种快速刀具伺服概念在过去已经提出了。 程为 12 m，带宽为 2 。快速伺服刀架的开发是为了检测初始的刀具和工件之间的接触并作出采用亚微米深度的凹槽。李等人提出了压电微定位系统主轴误差补偿的精密金刚石车削 3。社本森胁和设计各种压电 制 动器提供长期连续的笔触，在定位精度以及一个 制 动器以提供椭圆振动金刚石车削刀具，以减少芯片工具的摩擦 4 件表面上的波纹度 7。这些应用大多是金刚石车削其芯片的负载非常小，所以有对应的切削力的干扰 8。因此，制 动器 刚性并 不是一个显着的问题，常规的 例，积分和微分）控制器已经足够处理对于精密位置控制 的 可以忽略不计精度切削力 的 干扰 。 传统的车床不能提供所需的尺寸和表面光洁度的精度由于齿隙，摩擦导轨，热膨胀系数，位置相关的静态变形，和刀具位置的测量误差。精密轴是地面上一个圆柱形的磨床或完成超精密车床的开启。这两种选择需要第二台机器，和设备，因此增加了制造的复杂性和成本。如果粗加工，半精加工，精加 工和精密复合车削操作就可以完成在一个传统 削中心，第二机床和设定可能会被淘汰。所提供的车削长度是相当短，如轴承的位置，主轴 的 偏心和轴对准误差轴承位置的公差范围，在一台 削加工中心的快速伺服刀架的帮助下，有可能完成切削一个完整的轴。 本文提出了一种由压电堆执行器驱动的快速刀具伺服。精确位置控制和表面光洁度取决于由切削力 ， 切削过程中工具和材料 及 压电迟滞上的变化，引起的静态和动态变形补偿。 在 得到理想的定位精度和表面光洁度 上，制 动器的控制成为一个显着的因素。 采用数字重复控制和实现 刀具运动 差9。对于重复的控制，电流控制的输出计算基于从上一周期在输出和错误 。 李等人采用类似的方法，用自校正调节器，以适应非线性动力学，从而提高了跟踪性能，同时执行重复性任务 10。该 制 动器被控制为跟随的方波的振幅为 s，而且和第十重复后，跟踪误差是 复控制技术，适用于大批量生产在材料和工具的状况不改变，而且这个过程是非常缓慢的，而且这个过程的每个设置是可以重复的，这可能不是真正的生产地面中的情况下可重复。冈崎使用两种类型的闭环系统：零极点对消陷波滤 波器和状态观测器的状态反馈系统 11。在这两个系统中，他在不同的切削深度和进给率 转的切削条件，能够实现深度的切割控制 在 25纳米。 作者开发了的执行器的动态模型与未知的切削力干扰和过程的变化。连续时间域基于自适应滑模控制器，而且，跟踪命令定位准确的激励下，切削力的转折过程中的不确定性。该控制系统快速进行静态补偿 和 动态变形精密车削过程中的操作，这是必要的，实现高精度位置控制的刀尖和良好的表面光洁度。 其中 外力干扰的驱动器 18。表 达式。 （ 1）微分方程和重新安排 从车削的力学看，众所周知减少的进给速率和增加 切屑 半径能提高表面光洁度。 12 14然而，有降低进给速度 的 限制，因为在一定的限度，表面光洁度可能恶化由于切屑 的 较差剪切 。 切削力与切削深度的增加，并会导 制 由于结构变形引起的表面粗糙度差。在不同的速度范围内切屑 的 形成 是 不同的，其中有一个 关于 表面光洁度 的 影响15。 不连续的切屑，波浪形切屑和由内置边缘产生的切屑不希望破会表面光洁度。刀具切屑和刀具光洁度表面界面区温度会随着切削速度 的增加而增加 。在高速行驶时该刀具可 能会快速磨损，工件材料软化，切屑咆哮和划伤已加工表面16,17。 车削的力学 方面作者 优化 了 340热处理的合金钢轴切削条件。随着优化切削条件和快速刀具伺服， 得到了 最大表面粗糙度为 2 微米，平均粗糙度 为 R= 的一根轴 。整个系统开发的智能型快速刀具伺服与基于 可以安装在车床转塔。 2。精密定位控制法设计 如图图 1 示出了压电 制 动器系统设置。 制 动器的压电堆容纳刚性块和挠性块之间，它间接推动刀具，使得其冲程通过挠曲件的杠杆作用而放大由于机械弯 曲充当一个弹簧，它可以一个单自由度系统进行建模。主要是由 两个弯曲的 弹簧常数（ K） 决定。 质量（ M）是持有了刀具上部滑架，并且结构阻尼不变的是 此，该刀具保持器和 制 动器一起被作为第二阶动态模型如在图 2。开环的刀具位置（ X 微米 ）和放大器的输入（ U V），在拉普拉斯域之间的传递函数是： 控制器的设计问题是要找到一个映射，从读出的激光位移传感器的压电 制 动器，例如控制电压的实际刀具位移 论切割力扰动和未建模动 态。本文提出了一种新的滑模控制器的设计具有鲁棒性和快速对干扰和未建模动态反应。 滑模控制，或变结构控制，基本上是前馈加反馈控制器。前馈部分是专门来补偿系统动态反馈部分是进行输出跟踪和跟踪误差驱动。它有一个相应的系统运动的普遍属性，是独立在厂房参数的变化和外部干扰 19，所以，在转弯过程中对参数不确定性和干扰，表现出较强的鲁棒性。 滑模控制器的设计是通过滑动面和 数的适当选择。对于调控任务，让 滑动面被选择作为其中 l1/秒 ？ 0是一个常数，它决定 了动态的滑动面。作为式中的滑动面选择的原因是收敛到零，（ S 0）的滑动面将会迫使位置误差和速度的输出收敛到零（ 和 x0），以便指令位置可以保持在刀具尖端。 控制输入（ U）必须这样选择以保证它的滑动面的渐近收敛。 定性定理是用来作为一种辅助手段获得这种控制法 20。 出了正定，连续可微的标量函数，通常被称为一个 数，如果它的衍生物是负定的沿系统轨迹，那么这个系统是渐近稳定的。因为有稳定的两个变量：S，即 滑动表面 与 实际干扰和其估计 之间的误差，选择下面的 其中， 的参数自适应增益， 果 而导 制 在一个稳定系统。扰动观测器的衍生物， 21： 滑模控制参数适应最初是由 2开发的，他们使用的参数估计，是为了追踪真正的参数，导制连续控制，而常规的 ,不连续的滑模控制，有几个问题引起的不连续的控制输入。 不过，参数估计值可能会不断地增加或减少，原因估计是， 在反馈中的错误 的 基础上建立，并得到累积在参数估计。 朱等人提出的上限和下限。设定一个上限的估计的不确定性，使他们不断增加或减少。当一个参数 绑定 ，停留在该值 21，控制器对测量噪声很强大， 假设干扰 分 益率： /国际期刊机床与制造 41 (2001) 953 965 (9) 从式。（ 4），它遵循 (10) 加速度的工具可以由式表示。 (3) 代入。（ 11）式代入。 （ 10）式可得： 代再次式。 （ 12）和式。 （ 6）代入式。 （ 9），该衍生物的 然后就变成了： 因为 根据公式（ 1）。 （ 8）。因此，下面的标准将确保 其中 是的 反馈增益，解决控制律 u，得到： 其中， 第一式。 （ 15）在右手侧的前馈补偿和 是反馈控制。 该工具中， 量通过激光纳米传感器（ 示于图。 1，速度，为 x，估计通过服用的衍生物所测得的排量从 是，评价从离散位置指令速度和 数可能是嘈杂的，所以下面的简单的低通滤波器被用于使其更顺滑， 其中 TS的控制周期和一个 图 3示出与系统的框图式中的滑动模式控制器。 （ 15）。 3 系统设置 系统设置如图 转向机采用是哈挺 层涂层的 和所使用的工具保持架具有以下的几何信息 : 背架角 = 9 侧前角 = 端切削刃角 = 52 结束后角 = 9 侧偏角 = 侧浮凸角 = 5 用于实验的工件是低合金，热处理钢（ 与组合物， 件长度是 100毫米，直径约 65毫米。所用的润滑剂是未染色的 稀释。 从 0 增。一个激光纳米传感器（ 量范围为 60 微米，测量距离为 18毫米，和分辨率为 理器板 微控制器进行数据处理，并 拟量模块 I / 用触针式表面测量仪器， 丰制造的。在速度为 米 /秒时， 测量仪器的分辨率是 m，和测得的加工表面的长度是 4 在传统的数控车床精密车削 基于离线辨识 和 是以下数据： 相应的固有频率和阻尼比如下 使用这些估计的系统参数，控制参数的调整，得到所需的响应。滑模控制，鲁棒控制，因此，其中的不确定性系统参数和未建模动态补偿控制。所选控制参数是： 由于参考输入的调节目的始终是恒定的，零点的闭环传递函数中没有太多的能量密度对系统响应，因此对于无限干扰 ，控制法（ 15）对应于一个 图 5示出了用 5微米的参考输入的开放和闭环系统的阶跃响应不削减。为闭环阶跃响应的上升时间是约 冲是 2，是 50纳米的稳态误差。精密轴车削是在两个步骤。首先，在半精加工是通过定位工具 内侧切后转动的轴承位置，有一个很短的长度，数控车床的径向轴电子锁定，但径向退刀 5微米的快速刀具伺服提供刀尖与轴表面之间的间隙。遍历该工具沿轴的轴线，并带来的轴承位置的开始，和给定的总的径向位移为 10 刀速度为 转，和切割速度为 330米 /分钟为削减。 5 微米不能被切割不加控制，因为挠曲去 于切削力缩回工具，并且该工具对工件摩擦而不是削减，从而产生不理想的表面光洁度。图 6示出了带和不带切口控制的工具，因为它可以看出，因为的切削力，静态偏转，和形变 是成比例的大小的切削力。然而，与对照切割，没有任何变化的工具的位置，这意味着控制器完全补偿切削力和产生强大的控制性能，定位精度高。 应当注意的是， 当 和 ，控制律（ 15）也对应了两个零，极点配置控制 和 ，三个极点 系统的动态性能主要是由主要的极 进行了一系列的实验，以评估的压电制动器的性能和确定的范围内的切削条件下产生期望的表面光洁度。只有最后的两个切削过程中，即，半精加工和光洁度，阶段进行，以确定给定的切削条件下的表面光洁度。 削，被设置的切削深度由数控车床为 米，而对于精密车削，切削深度被设定为 米的由 动器损坏。最终夺取精密的切割深度被设定在实践中，它通过电子卡规由操作者确定。表 1示出的切削条件下进行测试的表面粗糙度值，相当于从磨削得到的值， 应该是小于 米大于 米。表面粗糙度值的三个读数分别记录在三个不同的位置。图 7 示出的三个表面粗糙度的平均的 R 值分别大于切削速度和进给率。正如预期的那样，表面粗糙度随着进料的增加和速率的增加。然而， 米 /转的进给速率的曲线图示出了其他的完全相反的趋势。肖和克罗韦尔 13指出，切削温度应该是高频谱使用，费 出相邻刀具的材料层面对热软化提供低摩擦，高剪切角。因此，速度应选择小的，使进给率增加。许多研究者也观察到，当内置边缘缺席，切削速度对表面粗糙度的影响不大13,14,23。然而，当高切割速度，温度升高会导制刀具磨损，从而会导制更粗糙的表面。 此外，任何固有振动由于本机的灵活性是在高放大切割速度。因此，该图表显示了在切削速度大于 200 米 /分钟 ， 轻微的增加表面粗糙度。图 8 显示了在不同的切割速度 下的 表面粗糙度。正如看见的，由于增加的振动该工具的标志都是在高切削速度下 进行。 削减和控制之间的比较。 表面粗糙度 和 与切削速度和进给速度。 推荐切削条件为 转进给速 率和 125 - 200米 /分钟的切削速度。在这些切削条件下， 最大 之，整个轴可以粗加工和半精密加工，来完成了一个快速刀具伺服控制的鲁棒控制系统。 5。结论 一个精确的转向轴系统已经呈现。精密刀具运动交付使用的压电制动器，可以被安装在现有的数控车床，快速的交付工具与刀尖议案和压电制动器，是由滑模控制器控制。滑动模式控制器已被设计成补偿模式，因此小的变化工艺参数其切削力干扰和参数变化迅速。进行粗加工和半精加工操作的伺服传统的车床，由压电制动 器，安装在炮塔相同的 床。现已进行了切削试验系列，并在切削条件下获得了表面光洁度，否则可达到磨床和超精密车床。 在不同切削速度加工表面的表面粗糙度 致谢 这项研究是由 拉特和惠特尼加拿大公司赞助。切 割工具和冷却液通过 参考文献 1 电陶瓷驱动器的机器：A 的应用，精密工程。 12（ 1990） 131 2陈原， S. 个新的具有高刚性和分辨率，安微切割设备。 9（ 1）（ 1990） 375 3 姆斯 C. 高精密金刚石车削工件的圆度，通过现场计量和 重复控制， 7（ 1）（ 1995） 567 4 究椭圆振动切削，安。 3（ 1994） 35 5， T. 精密金刚石切削淬硬钢， 安。 8（ 1）（ 1999） 441 6 过行走驱动超精密定位发展， 六届诠释。精密工程研讨会， 1993年，第一三一年至 1042年。 7 纹补偿压电微切割设备，精密机械加工诠释。 具制造业。 38（ 1998） 1305至 1322年。 8打开 顶部钢筋混凝土磨 60部，美国机械师（ 1982） 113 9麦拉斯穆森， 卡普尔，动态可变深度的切削加
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