精镗孔孔径误差自动补偿控制的研究

精镗孔孔径误差自动补偿控制的研究

现在，许多汽车制造制造商使用自动线生产。这些重要零件的加工自动化程度相对较低，其中大部分是通过手动测量、手动调整和补偿刀的磨损来补偿的。为克服手动调刀的缺点,提高设备的利用率,保证加工精度的稳定性,采用加工尺寸在线在机误差自动补偿控制技术是十分必要的。1补偿控制器设计通常尺寸控制系统都是通过对工件已加工表面的测量值与控制值进行比较得出尺寸偏差,然后由补偿控制器发出指令操纵补偿装置使刀具产生相应的径向位移以补偿刀具的尺寸变化,进而控制工件的加工误差。1.1加工双向线面2.对精加工工序而言,补偿控制系统应具有以下特点:(1)实现自动超调量的超调报警;(2)补偿分辨率高;(3)调整范围大;(4)重复精度高;(5)具有增大和缩小径向尺寸的双向自动调整功能;(6)误差补偿简单迅速,尽量缩短调整时间,即便非熟练工也可以进行操作;(7)控制器与孔径量仪连接简便,既可以连接使用形成自动补偿,也可以单独使用;(8)具有让刀功能,不划伤加工表面。根据以上要求,我们进行了精密孔加工误差在线补偿技术的研究,研制了JCS精密微调整镗头和相应的误差补偿控制器。1.2气液转换增压补偿孔加工误差在线补偿系统由孔径测量仪、JCS精密微调镗头、误差补偿控制器三大部分组成。图1是整个系统的工作原理图。该系统的具体工作步骤如下:测头14对刚加工好的工件15进行测量,孔径测量仪(气电测微仪)13将孔径数字量传送给自动微调镗刀控制器12与预设定的孔径相比较,当工件的实际尺寸超出预设定的范围时,则发出补偿信号给电气比例压力阀11调节出口气压,经气液转换增压器9转换成压力油进入油缸3,油缸3中的活塞4推动弹性元件5使镗刀杆1作径向微量位移,实现刀具的自动补偿。补偿执行机构的动力为压缩空气(压力高于0.5MPa),经电气比例压力阀11后,补偿气压在0～0.4MPa之间变化。压缩空气通过气液转换增压器后,变成压力放大45倍的压力油,经油管进入布置在弹性元件5中的油缸3中,活塞4顶动弹性元件的活动部分,最大可产生0.2mm的径向位移,使镗孔直径可以有0.4mm的变化。动作原理如下:镗刀通过安装刀杆的特殊腔体的弹性变形来实现刀具微调,工作介质是液压油(用0.5MPa的压缩空气建立控制压力)。用系统中的气液压力转换器,使油压在0～18MPa之间变化。弹性元件上有6个孔用切口相连接,把圆柱体分成刚性和活动的两部分。在液压缸所传递力的作用下,弹性元件的活动部分就在相对于主轴的调节平面中移动,就象弹性平行四边形薄板接头在弹性极限范围中作变形运动。当工序结束时,调节压力为零,平行四边形卸载,刀具退出,防止退刀时划伤加工表面。2关键部件精密微调镗头是孔加工误差补偿系统的执行机构,也是该系统的关键部件。刀具的磨损、机械部件的热变形等系统误差均是微米级变化的,能否达到补偿控制效果关键在于该部件的性能。2.1补偿装置的特点精密微调镗头的设计采用刚度高、弹性范围宽、变形量大的板弹簧结构。弹性元件能经受100万次全程调节动作而不降低精度。配不同尺寸系列的刀杆能加工孔的范围是Ø25～300mm,微调量是0～0.4mm。补偿装置具有如下特点:(1)结构紧凑,所占空间小,便于自动线上各机构和装置的合理布局;(2)组成补偿装置的零件少,传动链短,有利于保证补偿精度;(3)具有高的灵敏度和重复精度;(4)具有足够的刚度;(5)不平衡量小,允许较高的转速。2.2双向自动调整(1)镗刀半径方向上的最小调整量为0.001mm(2)镗刀半径方向上的最大调整量为0.20mm(3)径向调整的重复精度为±0.001mm(4)具有增大和缩小径向尺寸的双向自动调整功能(5)最高转速为5000r/min3静态测试和联合切割测试3.1各刀补偿量实测结果图2和图3分别为全行程内的3σ曲线和镗刀全调整行程内线性的静态实测结果。实测结果表明在镗刀的全补偿范围内的各点上,3σ均小于1μm。说明镗头径向调整重复精度优于±1μm;在整个工作范围内,镗刀补偿量实测结果与最小二乘法拟合直线的误差为0.003mm,其全量程范围内的非线性度小于2%。实测镗刀静刚度为20N/μm,能满足实际生产使用。实测镗刀分辨率为0.9μm。实测镗刀半径方向上最大调整量为300μm,相当于镗刀的孔径误差补偿能力最大达到0.6mm。实际应用时只取0.4mm一段。实测刀杆在长度为150mm范围内的径向位移不平动量最大为3μm,占整个调整范围的1.5%。3.2试验切结果分析将所开发的精密孔加工在线误差补偿控制系统安装在某厂生产线上的双面金刚镗床上进行切削验证(图4),考察补偿控制策略、调整、示警等各项功能的综合运行情况。试验条件:双面金刚镗床,补偿控制系统,测量系统加工工件:492Q连杆切削用量:主轴转速1400r/min,切削余量0.2～0.6mm,进给量s=90m/min附表为连续加工时的孔径误差测量值(表内数据为相对于孔径基本尺寸61.500mm的偏差)。从联机试切结果可以看出:(1)孔径误差实际控制在0.012mm之内。系统能够自动补偿因刀具磨损、热变形引起的刀具径向尺寸变化造成的孔径误差,能保证IT6级孔的连续稳定加工