（机械制造及其自动化专业论文）刀具补偿控制系统的研究与开发.pdfVIP

摘要 摘要 在大批量机械加工生产领域，刀具的磨损是影响加工精度的重要因素。在以微米为 单位的高精度加工中，这种磨损的影响更大。要解决这一问题，这就需要一种能以微米 为单位，且可简单迅速地从机身外部对刀刃位置进行调整的刀具补偿装置。只有对刀具 的磨损进行精密补偿，才能进一步提高加工精度。因此，精密加工过程中的刀具补偿技 术是机械加工工艺装备研究中的重要课题。本文介绍了几种典型的刀具补偿装置，对其 结构、原理、性能特点进行了分析。从实际生产的角度，对其定位精度、可靠性等进行 了综合探讨。通过比较分析各自的优缺点，最终选择了压力弹性变形微量进给装置，作 为刀具补偿的重点研究对象。这是一种以高压液压油驱动的，靠弹性变形产生微量进给 的补偿装置。文章分析了压力弹性变形微量进给装置的工作原理，并进行了结构分析与 设计。探讨了按此方案组成的刀具补偿控制系统的结构形式与基本功能，并以单片机为 核心，做出了刀具补偿控制器的设计方案。文章介绍了控制器的硬件组成，以及器件的 选择依据。分别介绍了测量信号输入单元、参数存储单元、数据显示单元、i o 接口单 元、通信接口单元、比例控制输出单元等硬件模块单元的设计。并介绍了系统软件设计 的思路与方法，同时给出了主要程序流程与典型模块的子程序。本文为刀具补偿控制器 的设计提供了较完整的解决方案。 关键词：微量进给；刀具补偿；精密测量；控制器；单片机 人连交通人学i ：学硕十学何论文 a b s t r a c t i nt h eh i g h v o l u m ep r o d u c t i o nm a c h i n i n g ，t o o lw e a l i sa ni m p o r t a n tf a c t o ra f f e c t i n g m a c h i n i n ga c c u r a c y i nam i c r o ni nu n i t so fh i g h - p r e c i s i o nm a c h i n i n g ，t h i sw e a rag r e a t e r i m p a c t t os o l v et h i sp r o b l e m ，w h i c hr e q u i r e sac a n m i c r o na sau n i t ，a n dc a nb es i m p l ya n d r a p i d l yf r o mt h ee x t e r i o ro ft h et o o lt oa d j u s tt h eb l a d ep o s i t i o nc o m p e n s a t i o nd e v i c e o n l y t h er i g h tt oc o n d u c tp r e c i s i o nt o o lw e a l c o m p e n s a t i o ni no r d e rt of u r t h e ri m p r o v et h e m a c h i n i n ga c c u r a c y t h e r e f o r e ，t h ep r e c i s i o nm a c h i n i n gt o o li nt h ep r o c e s so fc o m p e n s a t i o n f o rm a c h i n i n gp r o c e s sa n de q u i p m e n tt e c h n o l o g yi sa ni m p o r t a n tr e s e a r c ht o p i c t h i sa r t i c l e d e s c r i b e ss e v e r a lt y p i c a lt o o lc o m p e n s a t i o nd e v i c e ，i t ss t r u c t u r e ，p r i n c i p l e ，p e r f o r m a n c e c h a r a c t e r i s t i c sw e r ea n a l y z e d f r o map r a c t i c a lp o i n to fv i e wo fp r o d u c t i o n ，i t sp o s i t i o n i n g a c c u r a c y ，r e l i a b i l i t y ，a n ds oc o n d u c t e dac o m p r e h e n s i v es t u d y t h r o u g hac o m p a r a t i v e a n a l y s i so ft h e i ra d v a n t a g e sa n dd i s a d v a n t a g e s ，u l t i m a t e l yc h o s et h ee l a s t i cd e f o r m a t i o no f m i c r o p r e s s u r ef e e d i n gd e v i c e ，a sak e yt o o lc o m p e n s a t i o ns t u d y t h i si s ah i g hp r e s s u r e h y d r a u l i co i l d r i v e nb ye l a s t i cd e f o r m a t i o np r o d u c es m a l l q u a n t i t i e s o f f e e d o ft h e c o m p e n s a t i o nd e v i c e t h i sp a p e ra n a l y z e st h ee l a s t i cd e f o r m a t i o no ft h em i c r o - p r e s s u r ef e e d d e v i c ew o r k s a n dc a r r i e do u ts t r u c t u r a la n a l y s i sa n dd e s i g n d i s c u s s e dt h ec o m p o s i t i o no f t h i sp r o g r a m t o o lc o m p e n s a t i o nc o n t r o ls y s t e ms t r u c t u r ea n db a s i cf u n c t i o n s ，a n d t o m i c r o c o n t r o l l e rc o r e m a d et h et o o lc o m p e n s a t i o nc o n t r o l l e rd e s i g n t h i sp a p e ri n t r o d u c e st h e h a r d w a r eo ft h ec o n t r o l l e ra n dt h ed e v i c ei ss e l e c t e do nt h eb a s i s i n t r o d u c e dt h em e a s u r e m e n t s i g n a li n p u tu n i t ，t h ep a r a m e t e rs t o r a g eu n i t ，t h ed a t ad i s p l a yu n i t ，i 0i n t e r f a c eu n i t ， c o m m u n i c a t i o ni n t e r f a c eu n i t ，p r o p o r t i o n a lc o n t r o lo u t p u tu n i ts u c ha st h ed e s i g no fh a r d w a r e m o d u l e s a n dd e s c r i b e st h es y s t e ms o f t w a r ed e s i g ni d e a sa n dm e t h o d s ，w h i l et h em a i n p r o g r a mf l o wi sg i v e nat y p i c a lm o d u l es u b r o u t i n e s t h i sa r t i c l ei sc o m p e n s a t e dc o n t r o l l e r d e s i g nt o o lp r o v i d e sam o r ec o m p l e t es o l u t i o n k e yw o r d s ：m i c r o - f e e d ；t o o lc o m p e n s a t i o n ；p r e c i s i o nm e a s u r e m e n t ；c o n t r o l l e r ；m c u n 大连交通大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作 及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢及参考 文献的地方外，论文中不包含他人或集体已经发表或撰写过的研究成 果，也不包含为获得太蓬塞通太堂或其他教育机构的学位或证书而 使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在 论文中作了明确的说明并表示谢意。 本人完全意识到本声明的法律效力，申请学位论文与资料若有不 实之处，由本人承担一切相关责任。 学位论文作者签名：甜式 日期： 力日年1 1 月矽日 大连交通大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解太羹塞通太堂有关保护知识产权及保 留、使用学位论文的规定，即：研究生在校攻读学位期间论文工作的 知识产权单位属太整塞通太堂，本人保证毕业离校后，发表或使用 论文工作成果时署名单位仍然为太整窒通太堂。学校有权保留并向 国家有关部门或机构送交论文的复印件及其电子文档，允许论文被查 阅和借阅。 本人授权太整銮通太堂可以将学位论文的全部或部分内容编入 中国科学技术信息研究所中国学位论文全文数据库等相关数据库 进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论 、 又。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此规定) 学位论文作者签名石幽锄始勿匀 日期： 砌7 年 r1 月叼日 日期： 砷年l 月矽日 学位论文作者毕业后去向： 工作单位：趱遍天旁 。电话：弘，口秒吕厂 通讯地址：笊绵卟洒啦瓦罨溺诧7 邮编：办z 缪 好信箱：也l ；子。夕而m 、( 口m 第一章绪论 第一章绪论 1 1 课题来源及意义 随着机械加工技术的进步，特别是在汽车零部件的大批量生产中，为达到互换零部 件的高精度化，对尺寸精度的要求正在向越来越高的方向发展1 1 1 。可是，要实现高效大 批量的加工，依然会存在很多实际问题需要解决。例如在精密镗削和精密车削加工中， 刀刃的磨损就是问题之一。特别是当加工对象为铁类材质时，刀刃的磨损相继发生，直 接表现为加工出的工件尺寸发生了变化。在以微米为单位的高精度加工中，这种刀刃磨 损的影响更大，是影响加工效率的不稳定因素1 2 j 。进一步讲，按照以往传统的方法来进 行微米级微调也是极其困难的。因此，若能对刀刃的磨损进行连续地修正，或能进一步 实现微米级微调时，使效果会更理想，可实现高精度不见的高效、大批量生产。 在大批量生产领域，需要进行精镗或精密切肖, i d r l 工时，为了维持其加工精度，必须 要考虑更换磨损的刀片1 3 】1 4 1 ，或者通过微调使磨损的刀片移到起始的位置。对于铁类材 质的工件来讲，为了加工出高精度的产品来，若采取随时更换磨损的刀片的办法，从单 位成本率来考虑是难以接受的。此外，还可以采用对刀具进行微调的方式来解决。但若 以微米为单位进行微调的话，不仅需要技术和经验，而且每次调整时还需要停机，也是 一种效率不高方法。再说，虽然称之为微调机构，但其精度也不过0 0 1 毫米级，不可能 实现以微米为单位的精密调整。由此可见，在高效、高精度加工中，迫切需要一种能以 微米为单位，且可简单迅捷地从机身外部对刀刃的位置进行调整的刀具补偿装置【5 j 。 对刀具的磨损进行精密补偿，才能进一步提高加工精度。因此，精密镗削和精密车 削加工过程中的误差补偿技术是机械加工工艺装备研究中的重要课题。以汽车工业为 例，镗削往往是孔加工中最主要的工艺手段，而孔加工又往往是汽车关键零件自动生产 线上最重要的工序。由于系统误差和随机误差的存在，极大地影响了镗孔精加工的质量 和效率。因此，镗削误差补偿技术就成为开发此类自动生产线所必需的核心技术，而镗 削刀具微量迸给装置作为补偿动作的执行机构，又是误差补偿技术的基础和关键。 综上所述，通过系统的研究，寻求新原理、新方法，以显著提高镗削刀具微量进给 装置的性能及相关技术水平，对我国机械加工工业来说，既有重要的理论意义，又有可 观的实际效益。 人连交通人学j j ：学硕卜学位论文 1 2 国内外研究概况 1 2 1 国内概况 国内一些大专院校和科研机构开展了这方面的探索1 6 】【7 】【8 j 【9 1 。大连组合机床研究所在 八十年代初开展了“斜盘式、差动螺纹式、压电陶瓷式自动补偿刀杆的研究与比较 的 课题研究，其目的是：1 ) 对三种自动补偿镗刀杆进行原理性的试验验证；2 ) 测定三种 镗刀自动补偿刀杆的补偿性能，并进行分析比较；3 ) 分析、比较三种镗刀自动补偿的 工艺性及可靠性。该课题是国内较早的关于镗孔自动补偿方面的研究。大连机床厂在八 十年代将国产镗孔刀具自动补偿系统用于无锡柴油机厂的d x 6 3 柴油机连杆机械力h - r _ 自 动线，其加工对象为4 1 2 0 型柴油机连杆。自动补偿机构采用的是偏心式结构，镗杆中心 和主轴中心偏心0 0 2 5 m m ，当刀尖处于相对主轴中心不同角度时，镗杆的切削半径便有 微量变化，从而实现补偿。虽然该系统在机械、电气控制等方面还存在不少数问题，技 术相对落后，但它是一次有益的、积极的探索，为以后在自动线上应用自动补偿系统提 供了初步经验。 哈尔滨工业大学与香港理工大学合作研制了一种适用于在精密和超精密镗削加工 中对小深孔进行误差在线检测与补偿的微量进给镗杆系统，它主要是补偿细长镗杆在加 工小深孔时由于切削力引起的镗杆变形。它由以下四部分组成：1 ) 微调镗杆( 包括控 制杆和测试杆) ，2 ) 应变测试部分，3 ) p z t ( p i e z e o e l e c t r i ct r a n s d u c e r ) 传感器及驱动 电源部分，4 ) 控制计算机。镗杆由两个同心的内外杆组成。其中，外杆用作控制，称 为控制杆，内杆用来测试镗刀的微位移( 变形) 误差，称为测试杆。控制杆做成以柔性 铰链为支点的杠杆结构，镗刀和p z t 传感器分别装在控制杆的两端，这样就可以通过p z t 传感器驱动控制杆绕支点旋转从而补偿镗刀的微位移( 变形) 误差。这种镗刀的最大微 进给量可达2 0l am ，能够满足精密镗削的加工要求。 北京机床研究所也丌发了一种精密微调镗头，可在精镗加工中对孔径误差进行自动 补偿。该系统由孔径测量仪、精密微调镗头、误差补偿控制器三大部分组成。精密微调 镗头以压缩空气为动力，通过气液转换增压器，推动内置于镗头中的油缸，使刀杆作径 向微量位移，实现了丁具的补偿。该系统在双面会刚镗床上进行了切削验证：加工工件： 4 9 2 q 连杆，孔径6 1 5 0 m m ，切削用量：主轴转速1 4 0 0 r m i n ，切削余量0 2 m m 0 6 m m ， 进给量s - 9 0 m m i n 。结果显示，孔径误差可控制在0 0 1 2 m m 之内。 国内还有其它一些单位也开展了有关的研究【1 0 】【1 1 】【1 2 j 1 1 3 j ，如湖南大学、焦作工学院 等。总体来说，国内的这些微量补偿系统或装置都还只是停留在实验窄阶段，系统的功 能、可靠性、精度以及通用性等方面还不完善，没有形成成熟产品供厂家选择使用。 2 第一章绪论 1 2 2 国外概况 多年来，国外对镗孔刀具微量补偿装置进行了大量的研究【1 4 】【1 5 1 【1 6 】【1 7 1 ，已形成了一 些较为成熟、完善的定型产品。 瑞典s a n d v i k 公司研制开发的a u t o c o m p 专用镗孔刀具补偿系统，该系统由倾 斜器、补偿器和t m 2 0 0 0 控制单元及附件组成。采用模块化设计，可以安装在大多数机 床上，用于精镗、半精镗、阶梯孔等的加工和补偿，最小补偿量可达到1pm 。这是目前 应用最为广泛的系统。 德国s a m s o m a t i c 公司研制的镗削误差补偿系统，其微进给机构采用油压平行 四边形方式，孔的加工范围是5 0 3 0 0 l i i l m ，微调补偿量是o 0 5 o 4 m m ，其结构具有足 够的刚性和平衡性，并能以8 3 r s 的转速工作。 美国g i d d i n g s l e w i s 公司研制了一种偏心式镗孔微量补偿装置，其关键是镗头主 轴与镗杆主轴偏心，形成偏心机构。当镗杆轴在镗头内旋转时，由于偏心而使刀尖产生 径向偏移，实现径向刀具补偿。这种偏心式微量补偿装置回转角度与刀尖径向位移量为 非线性关系。 日本东芝公司研制开发的镗削补偿a p t 系统，最大补偿量为0 5 m m ，最小补偿量为2 umo 另外，其它国际知名公司如c r o s s 公司，l a m p 公司，m i c h l g a n 机床公司， v o l e n i t e 公司，e x c e l l - o 公司，b a k u e r 公司，o l i v e t t i 公司以及前苏联、捷克 等国都开发了各自的镗孔加工尺寸误差自动补偿系统。 1 2 3 误差预测模型 如何充分发挥误差补偿装置的功效，使误差补偿效果最优化，是产生误差预测模型 的理论基础。关于误差预测模型问题，早在上世纪7 0 年代末期，西安交通大学阳含和教 授利用w i e n e r 滤波对尺寸误差预测问题作了深入的探讨。上世8 e 8 0 年代初期，华中理工 大学李培根教授在镗孑l 的尺寸误差预测中首先引入了k a l m a n 滤波。该方法的一个显著特 点为：误差预测仅需要前一步的测量信息，大大地减小了在线计算的工作量。实验结果 表明，镗孑l 尺寸精度得到了显著的改善，不仅几乎全部的系统误差得到补偿，而且5 0 的随机误差也得到了补偿。至上世纪8 0 年代，国际上对这一问题的研究达到高潮，其中， 美国的s m w u 教授所做的工作引起了广泛的注意，他在机械切削加工中首先引入d d s ( d y n a m i cd a t as y s t e m ，又称t i m es e r i e s 时间序列) 方法来建。泣误差预测模型， 对轴类零件实施d d s 法控制的实验结果表明：圆度误差下降5 0 ，直线度误差下降8 0 ， 圆柱度误差下降6 0 。之后，美国的j n i 教授继承了他的工作，在误差预测模型中引入 了自适应控制( a d a p t i v ec o n t r 0 1 ) 方法。 3 大连交通人学：学硕十学位论文 需要说明的是，建立在上述各种最优控制理论基础之上的尺寸误差预测模型，目前 还没真j 下获得应用。在实际系统中仍采用传统的尺寸限控制方法。究其主要原因，这类 模型的参数与加工条件密切相关，需要通过一定量的试加工才能获得，而实际的加工条 件又是动态变化的。因此，尺寸误差预测模型参数的自适应、自调节问题将是今后应用 研究的一个重要方面，基于自学习的神经网络和遗传算法模型将是解决这一问题的有力 工具。此外，有关镗孔的形状误差( 如圆度) 预测控制问题，由于受镗刀微量进给及实 时测量技术的限制，难以建立相应的实验系统，国内在这一方面的研究还是空白。 随着有关技术的不断完善和发展，一些工业化国家都已形成了各自的尺寸误差预测 补偿控制系统，这些成果主要有：瑞典s a n d v i k 公司和意大禾l j m a r p o s s 公司共同研制开发 的a u t o c o m p 专用镗床刀具补偿系统，其微量补偿装置采用步进电机一弹性刀夹方式， 每脉冲可补偿0 0 0 2 m m ，最大补偿量0 2 m m 。德国g e r i c o n s a m o s a t i c 公司研制开发的镗削 误差补偿系统，在切削深度达0 4 m m 时，可保证得至t j l s 0 6 级以上的尺寸精度，其微量进 给机构为压力油平行四边形方式。另外，美、日等国公司也都开发了各自的尺寸误差 自动补偿系统。 1 2 4 研究趋势 刀具补偿技术的研究与应用技术，目前还处在发展阶段。许多与实际应用密切相关 的技术问题还需要进一步研究解决。目前镗削刀具微量进给装置的研究与开发存在的主 要问题是：精度指标的不高制约了相关技术的研究与发展；可靠性不高妨碍了 在工程实际中的广泛应用。目前此类装置在我国工程实际中的应用主要在尺寸误差的补 偿方面，且基本上都是引进的技术，故障率高是一个普遍现象。究其原因，主要是机械 传动的磨损及工作现场的污染等。因此，在原理和方法上创新，以提高镗削刀具微量进 给装置的技术性能就显得尤为重要。 1 、需要研究的主要内容有： ( 1 ) 微量补偿装置( 包括动力头) 的开发。其主要内容是弹性变形体的微变形原 理、主运动( 切削运动) 及微量进给运动( 补偿运动) 的传递与合成。在满足微量补偿 装置性能指标( 分辨率、重复定位精度、线性、补偿范围) 的f ；西提下。应兼顾到装置本 身的u 丁制造性、可装配性和可维护性等。 ( 2 ) 测量装置的二次开发。在现有成熟测量技术的基础上，开发在线自动测量装 置，结合相应的现场工艺等措施，排除现场工况等环境的干扰，在满足在线自动测量精 度、测量范围等性能指标的前提下，提高在线自动测量的可靠性。 ( 3 ) 控制系统的研究与开发。控制系统包括在线自动测量信号的采集、转换与处 理，尺寸误差预测模型( 控制策略) 的建立，及其它整套系统动作的协调与控制等。 4 第一章绪论 ( 4 ) 静态及动态试验研究等。在理论分析的基础上，验证和确定微量补偿装置的 静态性能指标( 分辨率、重复定位精度、线性、补偿范围) ，在模拟现场工况条件下， 进行自动预测补偿控制的动态切削试验等。 2 、需要解决的关键技术有： ( 1 ) 微量补偿装置方案的确定。在微量补偿装置中，分辨率往往要求达到亚微米 级，考虑到自动加工中的让刀动作，其重复定位精度一般要求达到微米级，这些都对补 偿运动的传递、主运动的运动精度及其两者的合成提出了非常高的要求，加之在加工过 程中的辅助工艺措施，都需要集成到微量补偿装置之中，从而导致微量补偿装置非常复 杂，影响到装置的可制造性、可装配性、可维护性和经济性，以致成为本项目研究开发 的技术关键及难点之一。 ( 2 ) 在线测量的可靠性问题。误差测量信号是误差预测模型的信息源，其精度对 误差预测的精度有着直接的影响，其在线自动测量的可靠性是实际工程应用中的主要障 碍。 ( 3 ) 动态切削条件下性能指标的验证。在目前的研究中，由于受技术条件的限制， 微量补偿装置的性能指标( 如分辨率) 主要是在静态条件下获得的，而更具说服力的是 在动态切削条件下的验证。但切削过程的复杂性，使得这一试验具有很大的难度。 ( 4 ) 控制策略的确定等。控制策略的核心问题是误差预测模型的建立，其模型的 适应性及其精度对整套系统的性能有着决定性的影响，模型的精度指标必须与微量补偿 装置的性能指标相适应，且采用合适的控制方案，才能充分发挥系统的整体性能。目前 在工程实际中因简单、实用、可靠而普遍采用传统的尺寸限控制方法，没有充分利用微 量补偿装置的性能。而建立在基于统计原理的各种最优预测理论基础之上的误差预测模 型又缺乏良好的自适应性，其模型的精度还需要在工程实践中进行广泛的验证。 1 3 论文主要研究内容 本论文以刀具补偿控制技术为研究对象，研究的内容主要有： 1 、研究机械补偿与压力弹性变形组合补偿各自的特点，以及控制方式的特色。通 过对比分析，选择更合理的补偿控制方案。重点研究压力弹性变形组合补偿所需要的压 力的产生、传输、控制方式，具体包括：由较低的气压，经过气液转换器转换为液压， 再经过二次增压，产生补偿压力，进而经弹性变形变为补偿位移的一系列方式方法。 2 、通过分析刀具补偿控制器的结构、功能、工作原理，提出以单片机为核心的刀 具补偿控制器的硬件设汁方案。分析控制器的硬件结构，进行合理的器件选择，选择最 优的程序算法，实现可靠实用的补偿控制功能。并研究如何配合在线检测技术，组成全 自动刀具补偿系统的技术方案。 5 大连交通人学。i i 学硕 j 学位论文 本章小结 本章对精密镗削和精密车削加工中刀具补偿的目的、意义进行了简要介绍，介绍了 该技术领域目前的技术状况，综合论述了各种补偿方法的特点，以及需要进一步解决的 技术问题。概述了本论文要研究的主要内容，以及要解决的主要问题。在接下来的章节 中，将分别给以详细介绍。 6 第二章刀具补偿装置分析与设计 第二章刀具补偿装置分析与设计 刀具自动补偿精镗系统由三大部分组成：镗孔力n - r - 在线测量系统、镗削刀具微量补 偿装置、镗孔加工刀具补偿控制系统。它是根据工件的加工尺寸变化来控制镗刀的补偿 量，使工件的尺寸保持在一稳定的精度范围 2 1 刀具补偿装置概述 为了适应目前机械行业特别是汽车行业高效高精度的大批量生产，特别是那些确实 需要以微米为单位进行微调的场合，利用刀具补偿机构对刀具在加工过程中出现的磨损 需进行以微米为单位的测量，且对于每一个加工循环来讲，可迅速退刀，并回归精度可 控制在1 微米之内的话，那么每一次换刀之后就可以立即平稳地开始高校、高精度加工 了。目前国内外研制的刀具补偿装置有各种形式，从产生微量位移的方式来看，生产中 实际采用的刀具补偿工具大致分为两大类：一种是机械传动方式，另种是压力和弹性变 形相结合的方式。 2 2 刀具补偿装置设计概述 专用机床上使用刀具补偿装置的条件： 1 、可以进行以1 微米为单位的调整，且不会产生因使用刀具调整装置而降低加工 精度的现象。 2 、对于每个加工循环过程来讲，可迅速退刀，且回归精度可控制在1 微米之内。 3 、对于一般的精加工来讲，其刀头的磨损量大约在爹1 0 0 微米左右但校正幅度需控 制在步2 0 0 微米左右。 4 、补偿操作迅速完成后，应在机体之外简单地显示。 5 、在工作的机床上，安装简单，体积小；并且不会对机床本身和工艺装备的设计 带来麻烦。 6 、进行校正的指令方式，不仅可以采用单独的手动方式，也能与检测装置进行自 动补偿。 7 、易于维修、保养。 2 2 1 机械传动补偿方式的概念和特征 机械传动方式，图2 1 所示，其工作原理是脉冲电机驱动主轴中心孔内的轴，从而带 动锥形键或偏心轮，使其发生轴向移动和旋转，从而带动锥形键或偏心轮进行补偿的。 偏心轮式是轴的移动带动导块致使刀架伸缩。 7 一盔望垫叁堂王竺堡堂堡堡壅 图2 1 缸孔精加工带补偿刀杆 f i 9 2 1c y l i n d e rb o r ef i n i s hm a c h i n i n gb o r i n gb a r 而锥形键式是中心轴带动导柱致使刀架伸缩。刀尖径向调整量与轴轴向位移的关系 见图2 2 。此方法由于驱动环节多，而零件之间必然存在着很多的结合环节。 图2 2 刀尖径向调整餐与轴轴向位移的关系 f i 9 2 2r e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h et o o lr a d i a la n da x i a ld i s p l a c e m e n t 2 2 2 压力控制和弹性变形组合补偿方式的概念和特征 另一种则是采用压力和弹性变形相组合的方式进行驱动，使安装有刀具的托架部位 发生强制性弹性变形来进行补偿的。其工作原理是作用于刀具的工作介质是压力。其结 构见下图： 8 第一章刀具补偿装置分析与设计 图2 3 镗活塞销孔精加工补偿刀杆 f i 9 2 3 m mb o r e 丘i s h m a c h i n i n g b o r i n g b 2 2 3 两种补偿装置的对比 i 、机械传动方式【1 q 从产生轴向位移的驱动方式来看，可以分为压电陶瓷、步进电机丝杠螺母副两种方 式。对于压电陶瓷，从其结构原理上来讲，主要是利用其变长时的推力进行补偿，报难 产生负向进给及让刀动作，加之本身的变形线性度不高，因而其应用受到一定限制。但 压电陶瓷的位移分辨率可以做得很高，随着测控技术的进步，其应用范围将会逐步扩大， 是一种很有发展前途的补偿方式。对于步进电机，由于可咀方便地实现双向进给，而且 还具有优良的控制性能，因而在实际中应用较广。不过由于弹性刀夹的设计空间，。当加 工对象的孔径较小时，丝杠螺母副的位置受到限制，从而导致其应用受到限制。 另一方面在镗削加工中，为了传递脉冲马达的运动必须将主轴做成空心的，以便 通过传递轴从而带动锥形键或偏心轮进行补偿，各运动件之间摩擦产生热易变形，而 且配合面间有磨损问题。由于驱动环节多，其磨损必然导致松动。 削2 4 多的驱动环符产生磨损 h 簖4 m u l t i - d r i v e b r i n gw e a r 在咀微米为单位的刀具补偿l l ，其磨损将会成为一个严重的问题，尤其是在高精度 加工时，磨损带来的松动必将反映出来。在车削加工时，要把脉冲马达装到刀座内部， 人连交通人学l ：学硕士学位论文 会使其工具系统体积变大，影响中心高度，而且安装也受到影响。同时这种方式由于 间隙的存在，摩擦系数和滞后值极易增大，实际加工中，为了尽量避免其所带来的影响， 补偿动作和退刀过程必将消耗一定的时间。对高效率加工极其不利。 此外，由于轴自身的补偿作用和退刀过程，每次均是强制性的移动。轴向反作用 力会对主轴轴承带来一些影响，在高精度的微米级加工中，也是需考虑在内的。 再者，在这种工作方式中，由于间隙的存在，摩擦系数和滞后值极易增大，实际加 工中，为了尽量避免其所带来的影响，补偿动作和退刀过程必将消耗一定的时间。对高 效率加工极其不利。 2 、压力控制和弹性变形组合补偿方式 该装置是采用油压为动力使托架部位发生弹性变形的，由驱动部分的补偿头和控制 压力的调节器组成，调节器上装有控制压力的气动伺服阀门，其基本结构如图2 5 所示 控垤气液压力转换毒 图2 5 刀具补偿装置基本结构图 f i 9 2 5m u l t i d r i v eb r i n gw e a r 刀杆弹性变形分刀杆轴线相对主轴轴线倾斜( 如差动螺纹式) 和平移( 如平行四边 形机构) 两种，其显著的特点是主轴与刀杆之间为弹性联接。由此产生的问题是：为避 免在切削中产生动态振动，就必须在联接时提高其刚性，因而产生进给运动的驱动力就 相应增大。在这种方式中，因为压力是作用于驱动装置中的介质上的，可以制成实质上 不产生松动的结构，而且由于使用了压力伺服机构还具有双向性。以在精镗削轴上的组 装为例，驱动补偿作用的压力传递，可在油管内进行，结合部位不存在磨损问题。此外， 由于压力补偿兼有动力和控制机能，补偿作用和刀具退川作用均可很快完成。弹性刀夹 一般是采用斜块推动刀夹产生弹性变形，从而实现刀尖的径向补偿。由于是刀央的弹性 变形，因此，不仅补偿线性较好，而且所需的驱动力相对于刀杆变形要小得多，可减小 整个传动环节的不必要变形。 相对而言，第一类补偿方式的机械传递环节较多，存在误差的叮能性较大，因而在 精密补偿中的应用受到限制。另外，由于前者相对于后者的机械传动环节较多，因而从 1 0 学酗 第二章刀具朴偿装置分析与设计 避免爬行以及产7 e 最小单位补偿量方面来看，后者有更好的应用前景。但其弹性变形由 压力油驱动，使得其可控性相对较差。 此外，由于n 力补偿时兼有动力和控制机能，补偿作用和退刀动作均可在瞬间完成。 2 3 弹性变形刀具补偿装置的原理与结构 z 3 1 弹性变形的刀具补偿装置 该装置的特点之一是装有利用动力组件产生弹性变形的补偿头，见图2 6 。它是一种 刚性的整体结构，在其内部装有由油压活塞和气缸组成的动力头，而有气油压变换器产 生的油压则被传递到这里，并在这里转变为使动力组件发生强制性扩张的力。 图2 6 弹性变形刀具补偿装置 尉9 26 e l a s t i cd e f o r m a t i o n t o o l c o r r e c t i o n s y s t e m 另一方面，在补偿头的外壳装有个带有平行平板型弹性部分的s 状切口，虽然是 一个整体物件，但是通过平行弹簧的作用使其具有宛如西个物体般的构造在其内部装有 动力组件。在动力组件处，油压产生的扩张力作用于补偿头外壳的受压部分，由于该力 的作用使补偿头发生了强制性的补偿位移。 2 3 2 压力控制和校正位移量 实践证明上述调节方式的调节性能优良，f = k x 的比例关系( 虎克定律) 成立。见 图2 7 ，也就是| 兑，补偿头的位移量与油压的压力成正比。因此要调节位移量或者说是 补偿量时只要对施加的压力进行调节即可1 1 8 i 。 4 3 2 1匐。庶 su n 补偿量补偿砸膏 图2 7 控制压力和i 补偿簧的比例戈系 f i 9 2 7p r o p o r t i o n b e t w e e np r e s s u r ea n dc o r r e c t i o n 大连交通人学一1 学硕十学位论文 由于采用了以可压缩气体为介质的气动伺服机构，因而可以确保压力调节性能的高 精度化。加之是刚性物体发生弹性变形的动力在气油压变换器处转换为巨大的压力( 帕 斯卡原理) ，所用的动力压力具有了可控性，所以说有可能实现以微米为单位的调整。 2 3 3 弹性变形的刀具补偿装置的优点 1 、快速校正、退刀作用 采用油压产生强制弹性变形方式的优点在于解除油压后，瞬间即可恢复到原来的位 置，而且当再次施加油压时，立即可回归到弹性变形的状态，镗削加工是在施加油压状 态下进行的，通过油压的增减即可对校币作用进行调整，而当油压解除时，利用其恢复 原状的功能即可实现刀具退让。 2 、1 微米的精度 图2 8 显示采用这种方式必然能缩短补偿和退刀的应答时间，不会对机床的循环时 间产生影响。而且由于补偿状态和退刀状态的切换是通过气压配管内的电磁阀简单进行 的，在确保精度的气动伺服系统内，对任何设定值均无需变更，即可稳定地获得输出的 作用力，从而确保循环反复的精度达到1 微米的程度。 加工循孙 l 匕 加工单元 一一 1l 孵0 n 补偿复位 i 世 一 盥 图2 8 刀具补偿与复位 f i 9 2 8t o o lc o r r e c t i o na n dr e s e t 3 、平行平板形的高刚性和线性 如前所示，这种补偿头的特点之一就是采用了平行平板形弹性体如图2 9 所示，平 行平板形弹性体的变形作用仅仅是单方向的，而在其它方向则有极强的刚性。因此在审 查切削抗力和补偿头的刚性时，可以不考虑切削时的主切削力和进给力，的影响，而只 考虑切削时的吃刀抗力和补偿头的刚性即可。 1 2 第二二章刀具补偿装置分析与设计 主切削分力 、 补偿l 炎 吃 进给分力 图2 9 平行平板形弹性体的变形方向 f i 9 2 9 e l a s t i cd e f o r m a t i o nd i r e c t i o no fp a r a l l e lp l a t e s h a p e d 在考虑切削时对吃刀抗力的刚性时，一般的标准零件，具有1 0 0 2 0 0 n um 2 的刚 性，这与精镗时的吃刀抗力阻力相比，其刚性是足够的。例如钢材k s = 2 8 0 0 m m 2 ， f = 0 i m m r ，a p = o 1 5 m m ，切削阻力与吃刀抗力比为7 0 时的吃刀抗力： f ( x ) = a p xf k s 0 7 2 9 n 。， 其次我们再来观察一下所用的动力组件，见图2 1 0 。其安装位置补偿头盖的内部， 靠其扩张时产生的力而造成补偿位移。这就是说，由切削引起的抗力是作用于补偿头盖 的位置上，与其内部的动力组件的扩张力无关。因此，对于切削抗力引起的补偿变形( 反 作用力) 只需考虑平行平板体弹性体自身的刚度就够了。前面所说的对吃刀抗力具有足 够刚性的说法，亦可由此得到验证。 补 图2 1 0 动力组件 f i 9 2 1 0 d r i v ec o m p o n e n t s 弹性平行板 4 、设计紧凑、结构简单、可靠性高 该补偿机构是由外盖和动力组件两部分所构成的，由于设计的结构紧凑，其刚性超 乎寻常地高。实验证明，与轴的刚性相比补偿头的刚性足够了。 在补偿头的内部结构上，只装有动力组件，并未采用任何复杂的驱动装置，因而不 存在可相互摩擦的机械零部件，所以即使在使用频度高的情况下，仍有充分的可靠性。 1 3 人连交通人学1 ：学硕士学位论文 此外，对于弹性变形部分，因为是在不会产生残余应力的范围内运行的，常年使用时精 度不会降低。即所设计的结构本身就决定了该补偿头即使经过长年的使用也不会发生由 于机械摩擦而产生的松动。 2 4 弹性变形刀具补偿装置设计图 图2 1 1 弹性变形补偿头结构图 f i 9 2 1 1 e l a s t i cd e f o r m a t i o nr a d i a l s e t t i n g h e a d 图2 1 1 是位移量为1 0 0 2 0 0um ，抵抗切削抗力刚行为l l 一2 2 k g f fum ，对主切削力 的刚性为1 0 0k g f l am 以上的补偿头的结构图。 本章小结 本章首先介绍了刀具补偿工具的类型，包括机械传动方式和压力控制和弹性变形组 合补偿方式的概念、组成、特点以及两种补偿装置的对比等。然后介绍了弹性变形刀具 补偿装置的原理与结构，并指出了弹性变形的刀具补偿装置的优点所在。最后设计了弹 性变形的刀具补偿装置补偿头的具体结构。 1 4 第四章系统功能分忻- j 软件设计 第三章系统硬件组成分析与设计 3 1 系统硬件的构成 刀具补偿控制器的系统硬件，见图3 1 。主要包含有以下单元：( 1 ) 微处理器单元， 这是整个刀具补偿控制器的核心，所有输入输出信号，包括测量、显示、数据处理等， 都要通过微处理器进行处理。( 2 ) 工件尺寸测量信号输入单元，该单元的核心为a d 转换器，将模拟量测量信号转为数字量，送给微处理器。( 3 ) 参数存储单元，该单元 的核心为e e p r o m 存储器，用于保存控制器的系统参数，以及用户的设置参数，具有 掉电记忆功能。( 4 ) 数据显示单元，其核心为4 行汉字显示的l c d 液晶显示器，可显 示工件尺寸的设定值、实际测量值、补偿值、偏差值。( 5 ) i o 接口单元，包括输入键 盘、工作状态指示灯、报警指示灯、蜂鸣器接口等。( 6 ) 通讯接口单元，可与上位机， 或其它设备进行数据通讯。( 7 ) 比例控制输出单元，d a 转换器将补偿量的数字信号 转换为模拟信号，用于控制电气比例阀，而电气比例阀再将与补偿量成比例的模拟电信 号转为气压信号输出。此单元的气压输出之后，( 再经增压后) 驱动补偿刀具单元。 3 2 微处理器 图3 1 系统硬件构成框图 f i g 3 1 h a r d w a r ep l a t f o r ms y s t e mb l o c kd i a g r a m 3 2 1 微处理器的选择 在本系统中，微处理器( m p u ) 选用目i ； 广泛应用的a t 8 9 c 5 2 单片机1 2 0 】【2 。它是 美国a t m e l 公司推出的一款高性能8 0 5 1 内核的c m o s 单片机。片内含8 kb y t e s 的可 大连交通人学l 学硕卜学位论文 反复擦写的只读程序存储器和2 5 6 b y t e s 的随机存储数据存储器，器件采用a t m e l 公司 的高密度、非易失性存储技术生产，与标准m c s 一5 1 指令系统及8 0 5 2 产品引脚兼容， 片内置通用8 位中央处理器( c p u ) 和f l a s h 存储单元。a t 8 9 c 5 2 单片机适合f 许多较 为复杂控制应用场合。 1 、它的主要性能参数有： 与m c s 5 1 产品指令和引脚完全兼容 8 k 字节可重擦写f l a s h 闪速存储器 1 0 0 0 次擦写周期 全静态操作：0 h z 2 4 m h z 2 5 6 x 8 字节内部r a m 3 2 个可编程i o 口线 3 个1 6 位定时州数器 8 个中断源 可编程串行u a r t 通道 低功耗空闲和掉电模式 2 、功能特性概述 a t 8 9 c 5 2 提供以下标准功能：8 k 字节f l a s h 闪速存储器，2 5 6 字节内部r a m ，3 2 个i o 口线，3 个1 6 位定时计数器，一个6 向量两级中断结构，一个全双工串行通信 口，片内振荡器及时钟电路。同时，a t 8 9 c 5 2 可降至0 h z 的静态逻辑操作，并支持两 种软件可选的节电工作模式。空闲方式停止c p u 的工作，但允许r a m ，定时计数器， 串行通信口及中断系统继续工作。掉电方式保存r a m 中的内容，但振荡器停止工作并 禁止其他所有部件工作直道下一个硬件复位。a t 8 9 c 5 2 单片机是现在市场上应用比较广 泛的5 1 系列单片机之一，由于它性价比高，功能可以满足本系统的设计要求，故在本 系统设计中选取此单片机作为处理器。 3 2 2a