（机械电子工程专业论文）精镗自动补偿加工控制系统的研究.pdf

华中科技大学硕士学位论文 摘要 ， f 针对自动线上的精镗孔加工，本文研究和开发了误差预测与精镗自动补偿控制系 统，该系统邋过对加工误差的在线检测，借助有关的控制理论和方法对过程建模，搬 此在线预报加工误差，为加工过程提供附加输入，从而达到控制加工系统误差( 刀舆 磨损) 及随机误差的目的，使得尺寸分散度减小，解决了自动线上精镗孔加工中的尺 寸稽淡稳定毪及宣动谰刀闻蘑。文 首先，本文介绍了课题的提出、米源和目的，从误差预测与精镄自动补偿控制系 统静两个最主要方瑟：补偿韵力镫头和误差预测方法，综述了它的磷究状况帮发震戆 势，并建立了系统的体系结构，分析了各功能模块的功能。 对镗蘩尺寸误差颓溅 缮弪割装麓进行了骈究。疆篷了一稀薪静静偿控翻装置， 并对该装置，进行了静态实验测试，结果显示：该装鬣克服现有技术的缺陷，提高了 热工的糖疫鼹瑶靠娃。 从尺寸误楚控制遐论出发，研究了尺寸误差的上、下限控制方法，探讨了最优线 性预测在镗孔尺寸误麓控制孛豹应题，建立了基予缝续滤波懿误差臻测控制模型，势 把该谈差预测控制方法和补偿镗头应用于神龙汽车有限公司的实际加工，加工结果最 示其缀好地提舞了加工精度，躲决了豳扰该公霹兹艇互精度嬲题。 最后，给出了系统的部分运行实例，并总结了全文，指出了误差预测与精镗自动 补偿控制系统的进一步研究方向与发鼹目标。 关键字：镜孔；议差预测；预测模型；补偿镗头；最优线性预测 华中科技大学硕士学位论文 a b s t r a c t a i m i n ga tm a c h i n i n go fp r e c i s i o nb o r i n g o na u t o m a t i cl i n e ，t h i s p a p e rs t u d i e sa n d d e v e l o p sc o n t r o ls y s t e ma b o u te r r o rp r e d i c t i o na n da u t o m a t i cc o m p e n s a t i o nf o rp r e c i s i o n b o r i n g t h r o u g ho n l i n em e a s u r i n go f t h ep r o c e s s i n ge r r o r , a n dm o d e l i n gf o rp r o c e s sw i t h t h eh e l po fr e l e v a n tc o n t r o lt h e o r i e sa n dm e t h o d s ，t h es y s t e mp r e d i c t sp r o c e s s i n ge r r o ro n l i n e a n do f f e r sa d d i t i o n a l i n p u t f o r m a c h i n i n gp r o c e s s c o n s e q u e n t l y c o n t r o l s p r o c e s s i n g s y s t e m a t i c a le r r o r ( t h ec u t t e rw e a r s ) a n d t h ee r r o ra tr a n d o m ，a n dm a k ed i m e n s i o n d i s p e r s a l e r r o rr e d u c e c o r r e s p o n d i n g l ys o l v e st h ep r o b l e m so f p r e c i s i o ns t a b i l i t ya n da u t o m a t i ct o o l a d j u s t m e n ti np r e c i s i o nb o r i n go n a u t o m a t i cl i n e f i r s t l y ，t h i sp a p e ri n t r o d u c e st h ep r o p o s i t i o n ，s o u r c ea n dp u r p o s eo f t h es u b j e c t f r o m t h et w om a i nr e s p e c t so ft h es y s t e m ：c o m p e n s a t i o nb o r i n gh e a da n de r r o rp r e d i c tm e t h o d ， s u m m a r i z e st h er e s e a r c hs u r v e ya n dd e v e l o p m e n tt r e n d so f t h es y s t e m ，a n ds e tu p s y s t e m a t i c s y s t e m s t r u c t u r ea n da n a l y s e st h ef u n c t i o no f e v e r yf u n c t i o nm o d u l e s e c o n d l y , t h ec o n t r o ld e v i c eo f e r r o rp r e d i c ta n dc o m p e n s a t ei ss t u d i e d b r i n g sf o r w a r d ak i n do fn e w c o m p e n s a t i o n c o n t r o ld e v i c e ，a n dh a sc a r r i e do ns t a t i ce x p e r i m e n t st ot e s te a c h p e r f o r m a n c eo ft h ed e v i c e t h er e s u l ts h o w s ：t h ed e v i c eo v e r c o m e st h ed e f e c to fe x i s t i n g t e c h n o l o g y , a n di m p r o v e s t h ep r e c i s i o na n d d e p e n d a b i l i t yp r o c e s s e d a n dt h e n ，t h i sp a p e rs t u d i e st h eu p p e ra n dl o w e rl i m i tc o n t r o lm e t h o do fd i m e n s i o n e r r o ra c c o r d i n gt od i m e n s i o n e r r o rc o n t r o lt h e o r y , a n dd i s c u s s e st h ea p p l i c a t i o no fo p t i m u m l i n e a rp r e d i c t i o ni nt h ec o n t r o l l i n gd i m e n s i o ne r r o ro f b o r i n g i nv i e w o ft h ea b o v e ，t h ee r r o r m o d e li s e s t a b l i s h e d ，w h i c hi s o nt h eb a s i so fw i n n e rf i l t e r i n g ，b e s i d e st h em o d e la n d c o m p e n s a t i o n a lb o r i n gh e a da r eu s e df o rl o c a lp r o c e s s i n g t h er e s u l ts h o w s t h a ti t i m p r o v e m a c h i n i n ga c c u r a c yv e r yf i n e ，o v e r c o m e st h ep r o c e s s i n ge r r o rp r o b l e mi nb o r i n gt h a ti sn o t s o l v e dv e r yf i n e ，b yu s i n gt h eo r i g i n a le r r o r sp r e d i c tm o d e l a tl a s t ，g i v e ss y s t e m a t i cp a r tr u n n i n gi n s t a n c e ，a n ds u m m a r i z et h i sf u l l p a p e r , a n d f u r t h e rw o r k so f t h e s y s t e m a r ep o i n t e do u t k e yw o r d ：b o r i n g ；e r r o rp r e d i c t i o n ；p r e d i c t i o nm o d e l ；c o m p e n s a t i o nb o r i n g h e a d ；o p t i m u m l i n e a rp r e d i c t i o n 一 华中科技大学硕士学位论文 1 1 课题的提出、目的与来源 1 i 1 课题的提出 1 绪论 对传统工艺方法和装备进行改造，乃至于推陈出新，以满足新的加工要求，一直 是机械加工工艺装备研究中较为活跃的领域。镗削加工过程中的误差补偿技术( 受相 关技术水平的制约，目前主要停留在尺寸误差补偿方面【l 】 2 】) 则是这一领域中的重要组 成部分之一。以国民经济支柱产业之一的汽车工业( 尤其是轿车工业) 为例：镗削往 往是孔加工中最主要的精密加工工艺手段，而孔加工又往往是汽车关键零件在( 如汽 车发动机零件和车桥零件) 自动生产线上最重要和最主要的工序p 】。由于系统误差( 如 刀具磨损) 和随机误差的存在，以及机床的磨损，极大地影响了孔的精镗加工质量和 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关键核心技术， 而镗削刀具微量进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所 在，并随着加工技术需求的拉动，对镗削刀具微量进给装置的性能指标提出了越来越 高的要求l4 1 。一方面，加工精度的要求不断地提高，导致误差补偿( 控制) 的水平也需 越来越高：另一方面，传统的镗削自动加工主要解决的是圆柱孔的加工问题，而对异 形孔( 孔的轮廓母线不是平行于孔中心线的直线) 的加工则显得无能为力，而这又为 工程实际中所迫切需要，给镗削精密自动加工提出了新的研究课题；解决这一问题要 求镗削在加工过程中，具有稳定和高精度的两轴联动( 镗刀径向进给和镗头轴向进给) 功能，镗削微量进给装置的某些性能指标( 如最小进给量一分辨率等) 和目前的镗削 尺寸误差补偿技术相比成一个数量级的提高；此外，随着这一研究的进展以及微量进 给动态响应特性的提高，将为镗削加工过程中的几何形状误差补偿的研究提供有力的 技术支持。 综上所述，对镗削刀具微量进给及相关技术进行系统的研究，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指标及相关技术的技术水平，无论是在 镗削误差补偿技术，还是在扩展镗削加工的应用领域方面，都有非常广泛的市场需求 和良好的应用前景，对为我国机械加工工业( 尤其是汽车工业) 提供高精度、高效率 的自动化镗削加工工艺装备具有重要的理论及实际意义。 华中科技大学硕士学位论文 1 1 2 课题的豳的 本课题的主要目的，就是骚研究和开发精镗尺寸误差预测补偿擦制系统，该系统 通过对趣工误麓的在线检澳，借助有关的控测理论对j 建程建模，据此在线预报搬工谟 差，为加工过程提供酣加输入，从而达到控带泐日工系统误差( 刀具瓣损) 及随机误麓 的目的，使褥尺寸分散度减小，解决爨动线上糖镗孔船工中的尺寸精发稳定性及叁动 调刀润题。 擘为本谍蹶的一个潜在的健势：綦于工控执款误整於偿控剃系统磷究与歼发静成 功，可方便于工序的计算机辅助质量管理以及建立与上级控制器( 如车间控制器) 和 上级( 全局) 计算机骥助质量管理的肖效联结，恧不敷该简单地看佟是一个孤立熬螽 动纯加工系统。 j i ，3 漂题静来源 本项器潦源于国家8 6 3 诗翅项嚣“耩键魏足寸误差囊囊於髅单元( 2 0 0 i a a 4 2 3 2 5 0 ) ” 和神就汽车有限公司主动测量反馈系统及补偿镗头供贷合同”项目。 1 2 误差预测与补偿控制( f c c ) 系统研究现状 个完善的在线误差预测补偿控制系统应包括自动测量装慝、计算机机控制系统、 微量毒 偿装置三部分。它通过对加工误差的程线检测，借助蠢关的控制理论对过程建 模，瓣j 磁在线预报加工误差，为加工懑程提供附加输入，扶而达到误蓬控制的目的。 由于微机系统具有很好的柔性，可以实现复杂的控嚣规律，弼且计算枫极系统的价格 洼麓魄越来越低，胃靠挺越采越高，鞭丽这辩方法惑来愈弓| 藤久们酌踅视。搴实上， 现在人们提到的误差补偿技术雁是基予微机控制的预测补偿方法。 在缝毳龆工中，尤其是慈蠡动生产线上迸 亍大懿大量键孔麓工时，由予刃具蘑损 与调整、机床磨损及其它工艺条件变化等确定成不确定因素的存在，极大地影响了镁 孔热工鹩质薰、效率及可靠穗。耩镗孑l 足寸误差是动 偿擎元需要瓣决豁嚣个关键趣 题包描 5 】 6 ：误差预测方法和补偿镗削动力头( 简称补偿镗头) ，前者确定了误差预测 麓模型及萁控糊策略，君者鄹是刀具韬澍及毒 偻运动瓣挟行壤掏。 2 华中科技大学硕士学位论文 1 2 1 补偿镗削动力头 补偿镗头作为镗削尺寸误麓预测补偿控制装置中的关键郝件，其主要补偿性能指 标有汀：最小迸给羹( 分辨率) 、重复定位精度、线性、最大进给范阐。舀前国内井 所残制熬於偿装置各萼孛器样，从产生微量位移蛇方式来看，弼憋它们分先嚣大类：第 一类魁利用始特殊机构来产生微量能移，如偏心式和斜盘式。第= 擞是利用刀杆或 刀夹豹洋往变形寒产生畿量健移，翅嫠动螺纹或，弹瞧刀夹式。挺辩褥言，第一类替 偿方式的机械传递环帮技多，存在误麓的可能性也就越大，因而在糙镦补偿中的应用 受到戳稍。刀秆弹性变形分刃秆轴线裙对主辅辅线颈斜( 如麓动螺纹式) 和平移( 如 平行隧边形巍构) 两粒，其显饕懿特患是主辅墨刃杼之闯为弹性联接。由戴产生静瀚 题是：为避免在切削中产生动态振动，就必须在联接时注意提高其刚性，因而产生进 绘运动豁驱魂力就鞠盛避增大。另磐，由予蘑者籀霹予磊者豹杌械健镪繇节较多，爨 而在避免爬行以及产生最小单位补偿擞方面采覆，后游有更好的应用前景，但其弹性 交形由电信号压力滴鞭动，使得其可控性和动态晌应滤度不足。弹髋刀夹一般是采用 魁蛱撼动刀夹产生弹搜变形，从两实魏刀尖懿径囱於偿。虫于是刃夹麓弹蛙变形，爨 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，这对于减小整 令健动环节鹣不必要变形是霄好处蕊。姨产叟瓣块毒囊淘运动静方式亲餐，可以分为篷 电晶体及步进电机一一螺母丝杼副两种方式。对于前糟，它的变形是单向的，因此不 能产生负向避徐及让刀动作，加之本身的变形线性较麓，因而其应用疑到限制。而后 者不仅缝夷鞭裁者的上述缺照，两曼还具煮优良懿控制性能，强舔奁实际串获簿了广 泛的应用，不过由于受到弹性刀夹设计空间的限制，当加工对象的孔径较小或者加工 对象兔阚辘除梯建瓣，其庭躅受到疆麓。勇一个需要注意滴莲在于，当需要次趣工 同轴孔时，则需要刀秆的平移变形。综合丽言，有关键削刀具微量进绘装置的研究与 开发存在的主鬟闯题愁： 其一精度援挺不是，制终了穗荚技术豹疆究与发震。就锺前兆类装置抟技术承 平而言，由于受原理和方法的限制，镳刀的微艇进给精度只能达到微米级，鼠微量变 3 华中科技大学硕士学位论文 形的驱动机构不可避免地存在间隙以及弹性变形，不能实现交替正负方向( 甚至于连 续单向) 的微米级微量进给，使得此类装置仅适用于间断进给，如镗削的尺寸误差补 偿方面一加工一个零件后在非切削状态下调刀，而不能用于切削过程中的连续进给一 镗削两轴联动( 刀具的微量进给运动和镗头的迸给运动) 加工，如镗削形状误差的补 偿及异形孔的加工，考虑到加工要求( 尤其是表面质量) ，有些微量进给的性能指标至 少要高出一个数量级，如最小补偿量应达到亚微米级，且有相应的驱动的动态响应， 此外，由刀具进给引起的切削系统的动不平衡问题也应引起足够的重视。 其二可靠性不高，妨碍了在工程实际中的广泛采用。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，机械传动的磨损及工业现场的污染是其主要原因之一。 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 2 2 误差预测方法 关于误差预测控制方法，早在七十年代末期，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，外圆磨削实验表明 9 1 ，其a n t 尺寸精度提高 了3 0 ，后来，他在此工作的基础上，通过引入最优预测理论使得误差预测模型更趋 优化，内圆磨削实验表明，其加工精度提高了5 0 以上，不仅系统误差几乎全部得到 补偿，而且随机误差也部分得到补偿。八十年代初期，华中理工大学李培根教授在镗 孔的尺寸误差预测中首先引入了k a l m a n 滤波，该方法中的一个显著特点在于【l o j j ：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。此外，中国科技 大学、国防科技大学等单位的研究人员在这一方面做了大量的工作。至八十年代，国 际上对这一问题的研究到达高潮，这其中，美国的s m w u 教授所做的研究工作引起 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 c d a t as y s t e m ，又称t i m e s e r i e s 时间序列) 方法来建立误差预测模型，对轴类零件的圆度、柱度、不直度等实 施d d s 法控制，实验结果表明【1 2 】【1 3 】：圆度提高了5 0 ，不直度误差下降了8 0 0 ，柱 度提高了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。 需要说明的是，上述实验工作主要针对磨削或车削加工，其主要原因之一就在于 作为刀具补偿机构的砂轮架或车床刀架只需作直线运动，而无须作回转运动，使得补 4 华中科技大学硕士学位论文 偿运动( 砂轮架或车床刀架的微量进给运动) 容易实现。此外，在上述误差模型中， 模型的参数为常量，而非时变量，它们与加工工艺条件密切相关，一般表现为与加工 系统输出观测值( 如被加工工件直径的测量值) 的统计量密切相关。尤其是如果工艺 条件不稳定或发生变化，模型却不能自适应和自调节，这也成为它们未能在工程实际 中获得应用的重要障碍之一。 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，这些主要成果有： 瑞典s a n d v i k 公司和意大利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o 0 0 2 m m ， 最大补偿量o 2 m m 。西德o 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 进行切削时，可保证得到i s 0 6 级以上的尺寸精度，其微量进给机构为 压力油一平行四边形方式。日本东芝公司研制开发的补偿镗削a p t 系统，最大补偿量 为o 5 m m ，最小补偿量2 i | t m 转( 主轴) 。另外，美国的c r o s s 公司、l a m p 公司、m i c h i g a n 机床公司、e x c e l l o 公司以及前苏联、捷克等国都开发了各自的尺寸误差自动补偿系 统。 1 3 本文的主要工作和意义 本文以误差预测与精镗自动补偿控制( f c c ) 为研究对象，提出新的镗削尺寸误 差预测补偿控制方法和装置，建立了新的误差预测模型，开发了f c c 软件原型系统， 并进行了静态实验、现场加工及数据分析。其主要工作及意义如下： 研究了镗削尺寸误差预测补偿控制方法和装置，并进行了静态实验和数据分析。 在自动生产线上进行大批大量镗孔加工时，由于刀具磨损与调整、机床磨损及其他工 艺条件变化等确定或不确定因素的存在，极大的影响了镗孔加工的质量、效率及可靠 性。通过对镗削尺寸误差预测补偿控制方法和装置进行研究，提出更好的控制方法， 开发出新的控制装置，可显著提高镗孔3 w q - 的质量、效率及可靠性： 介绍了误差预测与精镗自动补偿系统的具体应用实例。分析了系统在具体应用中 的原理、硬件组成和i o 信号处理等。最后以具体加工零件为例，阐述了系统的控制 过程： 研究了误差控制理论，建立了误差预测模型。误差预测模型更加可靠的预测了被 加工工件的尺寸偏差情况，它是预测与补偿控制的基础； 开发f c c 软件原型系统，对加工工件尺寸进行管理、统计和分析。 5 华中科技大学硕士学位论文 1 4 本文的内容和结构 本文分为六章，分别讨论了误差预测与精镗自动补偿技术的若干关键问题： 簿章为绪论，余缀了渫遥戆来源秘耍筑，对误麓颚瓣鸯精篷热动蛰嫠系绞中魏 两个必键问题：补偿锼削动力头和谈麓预测控制方法，的研究状况和发展趋势作了讨 论；最嚣套绥了本文的主要工豫秘意义。 第二章从误差预测与精镗自动补偿系统的体系结构、功能出发，引入了一种新型 误差颈涮与是动羚偿控铡装鬣，并对渡装置进行了实验分辑秘研究。 篇三章介绍了误麓预测与精镗自动补偿系统的具体应用宓例。研究了系统在具体 应用中的原理、硬 牛缀成秘i o 信号处理等。浸后以暴体船工零传为铡，阐述了系统 的控制过程。 整四章从误差控制理论爨发，分橛了尺寸误差的上、下限控制方法，介绍了维纳 滤波静提密，建立了旗子维纳滤波静误差预测模型，并提出了一种控制策略，最后进 行了现场加工测试，赞进行了数据分：8 睡。 第五章介绍了系统鼢鄢分运行实铡。 第六章对全文进彳予了总结和下一步研究工作的展攫。 6 华中科技大学硕士学位论文 2 系统的总体结构与静态实验研究 2 1 系统的体系结构 依据本项目研究目标和研究内容所确定的系统体系结构如图1 所示。该图也表示 了一个精镗孔尺寸误差预测补偿控制系统的基本功能和组成。图中的弹性镗杆、动力 头、补偿机构、补偿电机构成了本系统的补偿镗头。 系统的工作原理：自动测量装置将采集到的被加工件尺寸( 直径值) 信息输入到控制 图1 、误茅预测与精镗自动补偿控制系统的体系结构 系统，控制系统根据所建立的尺寸( 直径) 误差预测模型对待加工工件的尺寸误差进 行自动预测，按照预测值控制带有可自动调刀功能的补偿镗头对刀具进行自动调整， 从而保证被加工工件孔径尺寸的一致性及加工的效率和可靠性。 2 2 系统的体系中各功能模块的功能 2 2 1 补偿镗头f 1 4 如图2 2 所示，该补偿镗头主要包括弹性镗杆、主轴、拉杆、主电机、补偿驱动 7 华中科技大学硕士学位论文 电机、丝杆螺母副和导向杆，主电机通过传动装置与主轴相连，弹镗杆与主轴固定连 接，补偿驱动电机通过联轴节与丝杆螺母副中的丝杆相连，并将回转运动转换为螺母 的轴向移动，螺母与螺母套相连，并通过它与导向杆及套杯固定连接，套杯内设有滚 56 1 ：镗杆 2 ：主轴 4 ：箱体5 ，1 7 ：皮带轮传动副 7 ：补偿驱动电机 9 ：联轴节 1 1 ，1 2 ：丝杆螺母副1 3 ：套杯 1 5 ：芯轴 1 6 ：销 图2 2 补偿镗头的结构示意图 3 ：拉杆 6 ：主电机 1 0 ：导向杆 8 ，1 4 ，1 8 ，滚动轴承 动轴承，用于支撑芯轴，该芯轴与主轴中的拉杆相连，拉杆与弹性镗杆内的拉杆相连。 该装置采用步进电机一弹性刀夹方式，根据工控机系统输出的误差信号( 脉冲数) 对 加工过程中可能出现的误差趋势进行预测、补偿，从而达到控制加工尺寸误差的目的。 2 2 2 在线自动测量 本系统采用m a r p o s s 气动量仪在线自动测量，量仪同时测量两个工位四个精镗 孔的尺寸，并把测量数据通过串行口传到计算机，由计算机进行数据处理。 8 华中科技大学硕士学位论文 2 23 伺服驱动装置 本系统采用的是液压驱动，由液压站、液压缸和驱动电路组成，如图1 所示：左 边的液压缸用于测量工位滑台的进给驱动，右边的液压缸用于精镗工位滑台的进给驱 动。根据工控机系统所发出的指令控制相应的执行部件的进给速度、方向和位移。 2 2 4 微机控制系统 通常人们所提到的误差补偿技术指的是基于工控机控制的预测补偿方法【1 6 】，本 系统也是如此。它主要由工控机和p l c 构成，较之早期的单片机系统，工控机控制系 统具有很好的柔性，可以实现复杂的控制规律【1 8j ：而且工控机控制系统的价格性能 比愈来愈低、可靠性愈来愈高，因此得到愈来愈广泛的应用。本系统工控机控制装置 有如下特点： 1 误差预测精度高： 2 控制的可靠性高； 3 良好的用户界面。 2 3 镗削尺寸误差预测补偿控制的装置 在镗孔加工中，尤其是在自动生产线上进行大批大量镗孔加工时，由于刀具的磨 损与调整、机床的磨损及其它工艺条件变化等确定或不确定因素的存在，极大的影响 了镗孔加工的质量、效率及可靠性。精镗孔尺寸误差自动补偿单元需要解决的两个关 键问题包括：误差预测方法和补偿镗削动力头( 简称补偿镗头) ，前者确定了误差预测 的模型及其控制策略，后者则是刀具切削及补偿运动的执行机构。本章只介绍后者。 2 3 1 一种新型的镗削尺寸误差预测补偿控制装置【1 9 】 2 0 】【2 镗削尺寸误差预测补偿控制装置包括自动测量装置、控制系统和补偿镗头。所述 自动测量装置用于测量工件的尺寸，并与所述控制系统相连，该控制系统与所述补偿 镗头相连，其中，补偿镗头是该装置的核心。 1 装置的工作原理 本装置的工作原理为：自动测量装置将采集到的被加工工件的尺寸( 直径值) 信 9 华中科技大学硕士学位论文 息输入到控制系统，控制系统根据所建立的尺寸( 直径) 误差预测模型对待加工工件 的尺寸误差进行自动预测，并控制带有可自动调刀功能( 刀具微量补偿) 的补偿镗头 对刀具进行自动调整，从而保证被加工工件尺寸的一致性及加工的效率和可靠性。本 装置与现有技术相比具有下列优点：误差预测模型具有很好的预测精度，预测速度快， 刀具的补偿及重复定位精度高，补偿范围大，线性好，切削用量大，由于刀杆可整体 径向平移，使其可一次实现多把刀片的等量补偿( 调刀) ，适用于同轴阶梯孔的加工： 本装置与在线自动孔径测量装置配合使用，可形成一个全闭环的自动化镗削加工系统， 不仅可以自动地消除刀具正常磨损阶段对加工质量的影响，而且可以显著地减小加工 系统的随机误差，极大地提高自动生产线上镗孔加工的质量、效率可靠性，并具有在 线计算机辅助质量管理的功能。 总之，本装置通过对加工尺寸误差的在线自动检测，借助有关的控制理论对过程 建模，据此在线预报加工误差，为镗孔加工过程提供附加输入，从而达到尺寸误差控 制的目的，可显著提高( 自动生产线上) 镗孔加工的质量、效率及可靠性。适用于在 自动生产线上进行自动化镗孔( 精) 加工，并具有工序计算机辅助质量管理功能。 2 装置的关键技术 为满足镗刀微量补偿的性能要求，本项目提出一套独创性的方案，其关键技术就 连杆1 铰硅l连杆2铰链2 图2 3 镗刀微量补偿原理图 在于一种新颖的平行四边形弹性镗杆，该方案可简化成如图2 3 所示的原理图，其中 连杆和铰链是弹性变形体的简化结果，分别表示弹性变形体的刚性和弹性变形部分， 弹性变形体通过连杆分别与主轴和镗杆成刚性连接；斜块在补偿电机的驱动下沿主轴 轴线轴向移动，从而推动推杆带动刀杆偏( 平) 移，实现微量进给。 当弹性镗杆的结构参数满足一定的条件时，可带动刀杆实现整体径向平移，从而 在一根刀杆上实现多把刀具等量进给，以满足一次加工阶梯孔的需要。 1 0 2 4 补偿装置的静态实验 为了评定该新型的镗削尺寸误差预测补偿控制装置的性能，进行如下实验。 本实验的内容是给步进电机( 补偿电机) 一定的脉冲数，测量刀尖径向位移的值( 约 定刀尖向外伸出为正向补偿，反之为负向补偿) ，用于验证与判断微量补偿装置的最小 补偿量、线性、补偿范围、刀具重复定位精度、补偿精度等性能指标。图2 4 是其测 量原理图，图2 5 是测量现场图。 图中，位移传感器和测量仪分别是中原量仪厂生产的d g c 8 z g c 和d g b 一5 b ，表 2 1 列出了d g b 一5 b 的主要性能指标。 表2 1 ：d g b 一5 b 的主要性能指标 档位测量范围刻度值示值误差 第一档3 0 1o ，0 6 第二档1 00 5o 2 5 第三档 3 0l0 5 第四档 1 0 052 5 第五档3 0 01 05 1 l 华中科技大学硕士学位论文 图2 5 测量现场 2 4 1 单位脉冲补偿量、线性、最大补偿范围及平移 2 4 1 1 位置1 的测试 测试方式：在刀具可调整的范围内，通过工控机给定步进电机一定的脉冲数n ， 连续正向或负向进行调刀，以测定和验证单位脉冲补偿量、线性及最大补偿范围。 1 n = 2 0 0 时的测试结果 测试条件：d g b 5 b 量仪选择3 0 岬档，每次发脉冲前将量仪调零，发脉冲后读 取当前的示值。实验结果如表2 - - 2 所示。 2 n = 一2 0 0 时的测试结果 测试条件：d o b 5 b 量仪选择+ _ 3 0 1 x m 档，每次发脉冲前将量仪调零，发脉冲后读 取当前示值。实验结果如表3 所示。 1 2 华中科技大学硕士学位论文 表2 2 ：n = 2 0 0 的测试及结果( 单位：u m ) 序读数序号读数 序号读数序号读数序号读数序号读数 号 【1 1 0 579 21 39 61 99 22 59 83 l9 6 2l o 5 81 0 o1 49 52 09 22 69 73 29 5 31 0 599 81 59 1 2 19 o2 79 93 39 5 4 1 0 5 1 09 71 61 0 52 29 82 89 83 49 5 51 0 o 1 19 51 79 62 39 62 99 63 59 5 61 0 01 29 71 89 6 2 41 0 03 09 53 69 6 补偿范围l ：3 5 0 1 “m 单位脉冲补偿量墨：曩= 3 5 0 1 2 0 0 3 6 = 0 0 4 9 “m 表2 3n = 2 0 0 的测试及结果( 单位：r u n ) 序 读数 序 读数 序 读数 序 读数 序 读数 序 读数 号号号 号号号 1 9 671 0 01 31 0 21 9 一l o 4 2 51 0 53 1一1 06 29 68 1 0 11 41 0 52 01 0 52 61 0 53 21 0 2 38 o91 0 11 51 0 3 2 11 0 22 71 0 43 31 0 4 4 1 0 1 1 01 0 o1 61 0 22 2一l o 32 81 0 73 41 0 2 51 0 11 11 0 01 71 0 32 3 1 0 52 91 0 63 51 0 3 61 0 11 21 0 11 81 0 52 4 1 0 53 0 1 0 53 69 9 补偿范围l ：3 6 7 0i x r n 单位脉冲补偿量墨：墨= 3 6 7 0 2 0 0 3 6 = 0 0 5 1 岬 3 综合表2 - - 2 、2 3 ： 1 ) 单位脉冲平均补偿量万 元= 丽1 擎n = 上3 6 。2 0 0 量, = tx ，= 0 0 4 9 岬 1 月 1 3 6 墨= 击t = 瓦击丽t = o 0 5 1 p , r n 3 6 ( - 2 0 0 一 ”智 ) 智 1 3 华中科技大学硕士学位论文 万= ( 疋+ t ) 2 = ( o 0 4 9 + 0 0 5 1 ) 2 = 0 0 5 岬 2 ) 线性 由表2 2 、2 3 可得，n = 2 0 0 的测试结果中绝对值最大的读数是1 0 7 “m ，最小的读数是9 0 “m ，即单位脉冲补偿量最小为： 8 。= 8 0 1 2 0 0 = o 0 4 斗m 单位脉冲补偿量最大为： 万。= 1 0 7 2 0 0 = o 0 5 3 5 肛m 即单位脉冲补偿量从o 0 4i x m 到o 0 5 3 5i t m 变动。 3 ) 刀具补偿范围l ( 半径方向) 综合表2 2 、2 3 ，刀具补偿范围( 半径方向) 不小于o 3 5 m m 。 2 4 1 2 位置2 的测试 测试方式：将上述测量点沿刀杆轴向方向偏移1 0 0i n r n ，在刀具可调整的范围内， 给定步进电机n = 2 0 0 个脉冲数，连续正向或负向进行调刀，以测定和验证单位脉冲补 偿量、线性及最大补偿范围，并同上述测试指标进行比较。 1 n = 2 0 0 时的测试结果 测试条件：d g b 5 b 量仪选择3 0 岬档，每次发脉冲前将量仪调零，发脉冲后读 取当前示值。实验结果如表2 4 所示。 表2 - - 4n = 2 0 0 的测试及结果( 单位：i t m ) 序号读数序号读数序号读数序号读数序号读数序号读数 17 879 71 39 51 99 72 59 73 l1 0 1 2l o 389 71 49 42 09 42 69 83 21 0 1 31 0 499 71 5 9 4 2 19 12 79 93 31 0 o 41 0 o1 09 61 61 0 62 29 52 81 0 33 41 0 o 59 81 19 61 78 62 39 42 91 0 o3 59 8 69 81 2 9 8 1 89 2 2 49 7 3 01 0 13 69 9 补偿范围l ：3 4 9 4 岫 i 单位脉冲补偿量互：瓦：3 6 7 o 2 0 0 3 6 ：o 0 4 9 肛m 1 4 华中科技大学硕士学位论文 2 n = - - 2 0 0 时的测试结果 测试条件：d g b 一5 b 量仪选择+ 3 0 p m 档，每次发脉冲前将量仪调零，发脉冲后读 取当前示值。实验结果如表2 5 所示。 表2 5n = 一2 0 0 的测试及结果( 单位：“m ) 序读数序读数序读数 序 读数 序 读数 序 读数 号 号号号号号 18o79 71 31 0 2 1 9 1 0 32 5 1 0 6 3 11 0 8 21 0 281 0 11 41 0 42 01 0 42 61 0 73 21 0 5 31 079 1 0 o 1 5 1 0 32 11 0 72 71 0 5 3 31 0 4 41 0 11 0一1 0l1 61 0 32 21 0 32 81 0 63 41 0 5 51 0 11 11 0 01 71 0 42 31 0 52 9】0 63 5一1 0 5 6 1 0 0 1 21 0 o1 81 0 32 41 0 23 01 0 53 6一l o 4 补偿范围：3 6 9 9 t m 单位脉冲补偿量墨：互= 3 6 9 9 2 0 0 3 6 = 0 0 51 n 3 综合表2 4 、2 5 可得出： 1 ) 单位脉冲平均补偿量万 6 = ( 疋+ 矿) 2 = ( o 0 4 9 + 0 0 5 1 ) 2 2 0 0 5 p m 2 1 线性 从表2 4 、2 5 可得到，n = 2 0 0 的测试结果中绝对值最大的读数是 1 0 8 1 t m ，最小的读数是7 s r t m ，即单位脉冲补偿量最小为： 氏。= 7 8 2 0 0 = o 0 3 9 p a n 单位脉冲补偿量最大为： 矗。= 1 0 8 2 0 0 = o 0 5 4 “m 即单位脉冲补偿量从0 0 3 9 l m 到o 0 5 4 岬变动。 3 1 刀具补偿范围l ( 半径方向) 综合表2 - - 4 、2 5 ，刀具补偿范围( 半径方向) 不小于0 3 5 m m 。 1 5 华中科技大学硕士学位论文 241 3 位置1 和位置2 的测试比较 由表2 2 、2 3 和表2 4 、2 5 分别可生成如图2 6 和图2 7 所示的补偿次 数与读数的关系曲线图。 图2 6 补偿次数与读数的关系曲线图 图2 7 补偿次数与读数的关系曲线图 图中，系列l 表示步进脉冲数n = 2 0 0 ，系列2 表示步进脉冲数n = - - 2 0 0 ； 纵坐标读数表示为实际读数的绝对值。 从图2 6 和2 7 可以看出，读数以1 0 1 t m 线为中心，上下变动，近似直线，因此 可证明补偿是线性的； 图2 6 和2 7 的曲线图变化基本相同，由此可以判定：被测量的刀杆是整体平 移的； 2 4 2 刀具重复定位精度 测试方式：在补偿范围内，选取对刀点、对刀点后退1 0 0 0 个脉冲、对刀点前进1 0 0 0 个脉冲三个位噩：步进电机在每个位置分别先后退1 5 0 0 个脉冲，然后再进1 5 0 0 个脉 1 6 华中科技大学硕士学位论文 冲。 测试条件：d g b 一5 b 量仪选择3 “m 档，每次步进电机后退前将刀具位置示值调 零，步进电机进1 5 0 0 脉冲后，读取示值。实验结果如表2 6 所示 表2 6 ：刀具重复定位精度的测试结果( 单位：g m ) 序号对刀点对刀点退1 0 0 0 脉冲对刀点进1 0 0 0 脉冲 1 0 0 30 0 4o 0 8 2 0 0 20 1 0o 0 8 30 0 4 o 1 20 0 7 40 0 7o 2 0o 0 8 5 o 0 2o 1 80 0 6 60 0 1 o 2 00 0 7 70 0 4o 1 7一o 0 6 8 o 0 2o 1 8o 0 6 90 0 4o 1 8一o 0 5 1 00 0 4o 2 2o 0 8 1 10 0 4 o 2 20 0 9 1 20 0 20 2 4o 0 8 1 30 0 20 2 2o 0 8 1 4o 0 3 o 2 1一o 0 8 1 50 0 4 o - 2 20 0 8 1 6 o 0 30 2 l一0 0 4 1 7 o 0 6o 2 20 0 9 1 80 0 5 o 2 10 0 9 1 90 0 40 2 1o 0 8 平均值 o 0 3o 1 9 0 0 7 最大值 0 0 70 2 40 0 4 最小值 0 0 10 0 40 0 9 组误差 o 0 60 2 0o 0 5 根据表2 6 ，画出在对刀点、对刀点后退1 0 0 0 个脉冲、对刀点前进1 0 0 0 个脉冲 三个位置，补偿次数与读数的变化曲线图，如下： 1 7 华中科技大学硕士学位论文 上图中， 系列1 表示：在对刀点位置，测量次数与测试结果的关系曲线； 系列2 表示：在对刀点后退1 0 0 0 个脉冲的位置，测量次数与测试结果的关系曲线； 系列3 表示：在对刀点前进1 0 0 0 个脉冲的位置，测量次数与测试结果的关系曲线； 从表2 6 和上图，我们可以看到系列3 曲线变化最平稳，组误差最小，只有0 0 6 “m ：系列l 曲线变化最大，组误差有0 2 0p m 。 由以上图和表可得出，在对刀点、对刀点后退1 0 0 0 个脉冲、对刀点后退1 0 0 0 个 脉冲三个位置；刀具位置最大示值读数的绝对值为0 2 4 9 m ，因此我们得出刀具重复定 位精度小于o 3 u m 。 2 4 3 刀具9 1 、偿精度( 9 1 、偿脉冲数= n ) 测试方式：在补偿范围内，选取对刀点、对刀点后退1 0 0 0 个脉冲、对刀点前进1 0 0 0 个脉冲三个位置；步进电机在每个位置分别先后退1 5 0 0 个脉冲，然后再进1 5 0 0 + n 个 脉冲。 测试条件：d g b 5 b 量仪选择相应档( 如表所示) ，每次步进电机后退前将刀具位 置示值调到适当位置，步进电机进1 5 0 0 + n 脉冲后，读取当前示值与前者的差值。实验 结果如表2 7 、2 8 和2 9 所示。 表中， 1 理论值= 补偿脉冲数x 0 0 5 9 m ； 2 平均误差为理论值与平均值之差的绝对值； 3 最大误差为测量值与理论值之差的最大绝对值： 1 8 华中科技大学硕士学位论文 4 平均相对误差为平均误差除以理论值的绝对值： 5 最大相对误差为最大误差除以理论值的绝对值。 依据表2 - - 7 、2 - - 8 、2 - - 9 在对刀点、对刀点后退1 0 0 0 个