微进给系统在磨床上的应用研究.pdf

2008 中德制造技术论文集 132 微进给系统在磨床上的应用研究 张家梁 李蓓智 杨建国 东华大学机械工程学院 上海 201620 摘要 摘要 压电陶瓷器件在精密定位和微位移控制中得到了广泛的应用 根据磨床精密加工的需要 为补偿砂轮 的振动对加工精度的影响 在原有数控外圆磨床的基础上设计了微进给工作台及其基于信号处理和特殊算法 的闭环控制系统 并进行了磨削加工实验 实验结果表明 零件加工精度在 1 m 左右 满足零件精密加工的 要求 关键词 关键词 压电陶瓷 微进给系统 闭环系统 磨床 Research of micro feeding system applied to grinder Abstract Piezo electric actuators are used widely in the field of precise positioning For the sake of compensating upon the effect of processing precision affected by the vibration of grinding wheel of precision grinder a micro feeding work platform and its close loop control system based on special algorithm which serves as an auxiliary feeding device of the grinder has been designed based on the older grinder The experiment results show that the machining accuracy of the parts could be controlled about 1 m and met precision manufacture Keywords Piezo electric actuators micro feeding system closed loop control grinder 1 引言 1 引言 精密和超精密加工技术是机械加工制造业中的关键技术之一 精密和超精密加工决定了 机械产品的精度和表面质量 直接影响尖端工业与国防技术的发展 1 2 精密定位工作台的定 位精度是制约精密机床加工精度的关键因素之一 基于宏微驱动的超精密定位将机床进给系 统划分为宏动和微动两个部分 宏定位工作台完成系统的高速度 大行程 低分辨率的运动 微定位工作台系统行程小 分辨率很高 用来补偿宏定位的残留位置误差和抑制残余振动 从而获得整个精密定位工作台总体上的大行程 高速度 高精度 高频响等指标 3 4 由于传统外圆磨床的砂轮进给系统的质量大 导轨间存在摩擦以及热变形 固定在滚珠 丝杠的砂轮工作台的进给步长的精确度有一定的局限性 因此传统磨床驱动砂轮进给工作台 的位置精度较低 砂轮头架的进给误差较大 因而很难保证零件的超精密加工的要求 5 目前 提高磨削的加工精度和效率成为了国内外科研单位研究的热点之一 本文结合上海市科技攻 关项目 面向精密磨床的压电驱动超精密定位工作台研制 进行宏微驱动高精度定位工作台 关键技术研究 并开发相应工作台系统 应用于精密外圆磨床 2 磨床定位机构设计 2 磨床定位机构设计 2 1 磨床定位机构总体设计 2 1 磨床定位机构总体设计 为了提高数控外圆磨床的定位精度 考虑在原有进给系统的基础上 再加一级微进给工 作台 通过二级进给 实现超精密加工 首先机床工作台进行粗进给 即一级进给 精密测 量反馈系统进行加工状态实时在线测量 再经微进给控制系统对加工数据进行的分析处理后 由微进给工作台根据系统的处理结果和指令实现超精密进给加工 即二级进给 最终达到加 工的目的 图 1 为微定位机构精度补偿原理 2008 中德制造技术论文集 133 图 1 微定位机构精度补偿原理图 粗进给工作台实现高速运动 满足磨削加工的高响应 高效率的要求 其定位精度为微 米级 微动工作台在精密移动工作台的基础上 通过控制系统检测精密移动工作的定位误差 对磨床的定位精度进行补偿 微进给机构设计采用压电陶瓷驱动器和柔性铰链组合方式 利 用柔性铰链的微小弹性变形来传递位移 推动微动工作台 实现微量进给 具有体积小 机 构紧凑 无机械摩擦 无间隙等优点 满足精密加工对微定位的要求 6 7 并在实际的机构的 结构设计中 采用杠杆放大原理 提高微进给机构的系统刚度 满足磨床加工对微进给系统 刚度的要求 采用直圆型柔性铰链组组成的导向支承机构的简化模型如图 2 所示 压电陶瓷安装在平 行四边形体内 出力为 F 图中 O 点为微进给工作台的出力点 设计导向支承机构首先必须 推导微进给工作台性能与导向支承机构参数之间的关系 根据系统采用的压电陶瓷的特性 利用 Matlab 进行仿真得出压电陶瓷的工作极限值是一 条直线如图 3 所示 由这条直线与坐标轴围成的区域为压电陶瓷的工作区域 压电陶瓷是一种脆性的陶瓷材料 其抗拉强度远低于抗压强度 而且压电陶瓷致动器是 由多片陶瓷材料堆叠后经烧结而形成的 因此 压电陶瓷驱动器只能承受正压力 而承受的 拉应力和剪贴应力相当有限 但在实际的应用过程中 由于系统静载荷和动载荷的作用 使 微位移器不可避免的收到拉伸和剪切作用 实践证明 给压电陶瓷驱动器施加预紧力可在一 定程度上减少或消除系统载荷对微位移器的拉伸或剪切作用 同时减少其迟滞和蠕变 提高 其使用性能 因此 在使用时通常都要给微动机构施加一定的预紧力 以保护微位移器不因 过载而损坏 图 2 导向支承机构简化模型图 图 3 PJ 压电陶瓷极限出力与极限位移关系 根据柔性铰链在系统中的决定性作用 获得柔性铰链的转角偏移 在不破坏材料的塑性 变形的情况下 需要尽可能获得大弹性变形的材料 选用的材料应该满足以下要求 具有良 好的机械及弹性性能 具有良好的热传导性和热扩散性 以使外界温度变化对加载机构产生 2008 中德制造技术论文集 134 的热膨胀变形小 较高的疲劳强度极限 以适应反复几万次的伸长与回缩 65Mn 钢是目前应 用比较广泛的制作柔性铰链的材料 先对 65Mn 钢进行调质处理 经机械加工 最后发蓝处理 经过反复调整各参量 最终主要参数为 铰链半径 2 5 mm 铰链宽度 b 30 mm 铰链厚 度 t 2 0 mm 切口中心距 l 35 mm 上述结果是在做了理想化的假设后得到的 为了检验该结果是否能满足设计要求 需要 对该结果进行进一步的论证 包括静力学 模态分析 有限元法为工程应用提供了良好的计 算工具 是提高研制效率的有效途径 3 微位移控制系统设计 3 微位移控制系统设计 3 1 微进给控制系统总体设计 3 1 微进给控制系统总体设计 压电陶瓷利用电介质的逆压电效应 在外电场的作用下产生应变 应变大小与电场大小 成正比 应变的方向与电场方向有关 但压电陶瓷本身固有的滞后 蠕变等特点 导致压电 陶瓷的非线性效应 给压电陶瓷的陶瓷的控制带来了困难 为了改善压电陶瓷微位移器的非 线性 微进给系统采用闭环控制原理 8 通过对由位移传感器产生位移反馈的精密进给工作台 实施闭环控制 在一定程度上可消除由压电陶瓷自身物理特性引起的滞后误差 使其获得较 高的位移分辨率和动态刚度 系统的定位误差可以通过软件算法实现精确定位精度 单 片 机 工 作 台 A D D A 图 4 微进给控制系统原理图 闭环控制系统的原理图如图 4 所示 系统主要由 MCS 51 单片机 A D 模块 D A 模块和 人机接口模块组成 采用基于模型的控制方法 消除压电陶瓷的迟滞现象和外界环境干扰的 影响 使系统既有响应速度快 超调量小的优点 又可以得到较高的定位精度 选用高精度 电感式微位移传感器 测量精度 0 03 m 分辨率 0 01 m 点 采样模块采用高精度 高响应 的 12 位 A D 模块 该信号通过 8 位高速单片机处理 3 2 软件控制流程 3 2 软件控制流程 在微进给系统独立运行的基础上 为使微进给系统在加工过程中能够与数控磨床实现通 信 在主程序中加入与数控磨床进行交流的信号处理程序 这些信号主要包括急停信号 工 件尺寸到信号 报警信号 故障信号等 其中 工件尺寸到信号由实时检测加工工件尺寸精 度的精密量仪来发生 其它信号则由 CNC 系统来发出 这样有效的解决了在加工过程中有意 外紧急事件发生 对微进给系统实施急停控制 有效地保护操作人员 微进给系统及加工工 件使之不受损伤 软件控制流程如图 5 所示 通过人机界面输入加工所需的微进给单步步长 进给次数 进给间隔时间等参数 此时 系统处于待命状态 当数控系统向微进给控制系统发送启动信 号时 微进给系统开始工作 根据输入的位移参数 系统根据位移 电压数据模型 得出系 统需要输出的数字电压 通过 D A 转换驱动压电陶瓷驱动电源 驱动微进给进给工作台 精 密检测系统将实时测量的位移经 A D 转换反馈回微进给系统微处理器进行补偿处理 直至加 工完成 期间若有数控主控系统发送急停信号 则微进给系统停止 微进给工作台复位 2008 中德制造技术论文集 135 图 5 微进给系统软件控制流程 4 磨削加工实验 4 磨削加工实验 对所设计的外圆磨床微进给系统进行了实际加工实验 如图 6 所示 图 6 实验现场 4 1 切入磨加工试验 4 1 切入磨加工试验 加工零件如图 7 所示 根据与扭簧比较仪所设定的基准的差值记录数据 而所需的加工 误差是各零件与编号 1 的零件的差值 如表 1 所示 另外磨加工主动测量仪的测量精度为 0 5 m 可以在加工后直接测量零件的加工精度 切入磨加工试验所测量的零件结果表明 零件的加工精度在切入磨状态下 加工误差最 大 2 m 平均值稳定在 1 m 左右 加工精度达到精密级 零件光洁度达到 9 级以上 表面粗 糙度也在 Ra0 32 以上 满足精密加工对精密进给工作台的要求 图 7 切入磨加工零件 2008 中德制造技术论文集 136 表 1 切入磨加工零件分析比较数据 单位 m 编号 上 中 下 磨加工主动 测量仪 编号 上 中 下 磨加工主动 测量仪 1 0 0 0 0 26 0 5 0 0 5 1 0 2 0 0 0 1 0 27 0 3 0 1 0 0 5 3 0 5 0 5 0 1 0 28 0 0 5 1 5 0 5 4 1 0 0 5 0 1 5 29 0 3 0 5 1 5 0 5 5 1 0 0 5 0 1 5 30 0 5 0 1 0 0 6 1 0 0 5 0 1 5 31 0 0 5 1 5 0 5 7 1 0 0 5 0 1 5 32 0 0 5 1 5 0 5 8 0 5 0 0 5 1 0 33 0 0 5 1 5 0 5 9 0 8 0 5 0 2 1 5 34 0 0 5 1 0 0 5 10 0 3 0 0 5 1 0 35 0 0 5 1 5 0 5 11 0 5 0 5 0 1 0 36 0 1 0 2 0 0 12 0 5 0 5 0 1 0 37 0 0 1 0 0 13 0 5 0 0 5 1 5 38 0 0 5 1 0 0 14 0 5 0 1 0 0 5 39 0 5 1 0 2 0 0 5 15 0 5 0 1 0 0 5 40 0 5 1 0 2 0 0 5 16 0 0 5 1 0 0 5 41 1 0 1 0 2 0 0 17 0 0 5 1 5 0 5 42 0 5 1 0 2 0 0 18 0 3 0 1 0 0 5 43 0 5 0 5 1 0 0 19 0 5 0 1 0 0 5 44 0 5 1 0 2 0 0 20 0 0 2 1 0 1 0 45 0 5 0 5 1 5 0 21 0 0 5 1 5 0 5 46 0 0 5 1 0 0 5 22 0 3 0 1 0 0 5 47 0 5 0 1 0 0 5 23 0 0 1 5 0 5 48 0 5 0 5 1 5 0 24 0 0 1 0 1 0 49 0 5 0 5 1 5 0 25 0 5 0 0 5 1 0 50 0 5 0 5 1 5 0 平均值 0 196 0 214 1 004 0 47 4 2 纵磨加工试验 4 2 纵磨加工试验 加工20个零件 纵磨磨削外圆 通过扭簧比较仪测试磨床所加工零件的外圆精度 零件 加工余量为50 m 首先由磨床宏进给进行粗磨 半精磨 通过磨加工主动测量仪实时检测零 件外圆尺寸变化 此时通过数控系统预留6 m的精磨加工余量 由微进给系统完成精磨 最 后采用磨加工主动测量仪测量零件的加工精度 图8为纵磨加工零件 图 8 纵磨加工零件 磨加工主动测量仪可以在加工后直接测量零件的加工精度 其数据如表2所示 纵磨加工 试验所测量的零件结果表明 零件的加工精度在纵磨状态下 加工误差最大1 5 m 平均值稳 定在1 m左右 加工精度达到精密级 零件光洁度达到9级以上 表面粗糙度也在Ra0 32以上 满足磨床在纵磨精密加工中对精密进给工作台的要求 2008 中德制造技术论文集 137 表 2 纵磨加工零件检测数据表 单位 m 零件编号 磨加工主动测量仪 零件编号 磨加工主动测量仪 1 0 5 11 1 0 2 0 5 12 0 5 3 0 5 13 0 5 4 0 5 14 1 0 5 1 0 15 1 0 6 0 5 16 1 0 7 0 5 17 1 0 8 0 5 18 1 0 9 0 5 19 1 5 10 1 0 20 1 5 平均值 0 8 实验结果表明 微进给系统在采用单步步长为 0 1um 的进给量时 由于磨削加工的电机 振动 外界环境的干扰 砂轮质量的影响 导轨质量 在线检测系统的精度和响应速度等影 响 该机床在实际加工中 重复加工精度稳定在 1um 左右 加工精度达到精密级 零件的圆 度 圆柱度及表面粗糙度都得到了很大提高 满足了零件精密加工的要求 5 结论 5 结论 采用精密测量技术 机械结构优化设计与分析 精密实时补偿和智能控制技术是现代制 造装备发展的重要方向 本文根据现有外圆数控磨床的特点 采用宏微双重的进给方式 由传 统机床的进给系统实现快速的大行程进给 微进给工作台实现高分辨率的快速定位设计 研 制了基于压电陶瓷的微进给工作台及其控制系统 采用前馈控制理论和闭环控制法算法 提 高了系统的快速响应能力 实验结果证明 微进给进给系统在精密磨削加工的零件加工可控 制在1um以内 精度达到精密级 满足了零件 优质 高产 低成本 精密加工的需求 参考文献 参考文献 1 Owen R B Maggiore M Apkarian J A High Precision Magnetically Levitated Positioning Stage Toward Contactless Actuation for Industrial Manufacturing IEEE Control Systems Magazine 26 82 95 2006 2 Choi Y Sreenivasan S V Choi B J Kinematic Design of Large Displacement Precision XY Positioning Stage by Using Cross Strip Flexure Joints and Over Constrained Mechanism Mechanism and Machine Theory 43 724 737 2008 3 Tal J Servomotors Take Piezoceramic Transducers for a Ride Machine Design 9 1 3 1999 4 Woronko A Huang J Altintas Y Piezoelectric Tool Actuator for Precision Mac