零件圆柱面车削误差在线补偿技术_王清明

第19卷第4期山东理工大学学报(自然科学版)Vol.19No.4 2005年7月Journal of Shandong U niversity of T echnolo gy(Sci&T ech)Jul.2005文章编号:1672-6197(2005)04-0043-04零件圆柱面车削误差在线补偿技术王清明(潍坊学院办公室,山东潍坊261061)摘要:在研制的超精密车床上,提出了零件圆柱面加工的误差在线测量与补偿原理,并建立了误差补偿控制系统.实验结果表明:加工零件的圆柱度误差减少了80%.关键词:误差补偿;在线测量;圆柱度中图分类号:TH161文献标识码:AStudy on on-line error compensation of partcylindrical surface machiningWANG Q ing-ming(Weifang Collegc,Weifang261061,China)Abstract:On the developed ultra precision lathe,the author proposes the principle of error on-line measurement and compensation of part cylindrical surface m achining,and builds error com-pensation control system.The experimental results show that the cylindricity of machined part is reduced to80%.Key words:error compensation;on-line m easurement;cylindricity高精度圆柱类零件在诸如人造卫星等高精度产品中有广泛应用,其加工手段主要是精密超精密车削.在精密超精密车削加工中,误差补偿技术是保证零件加工精度不可或缺的手段,特别是加工过程中的动态误差不容忽视[1],甚至在某些情况下成为影响加工精度的关键[2].本文采用误差补偿量在线测量合成的方法,对零件的圆柱度误差进行补偿,效果令人满意.1误差补偿系统的建立1.1误差源分析与测量在车削圆柱面时X溜板不动[3],因此影响零件圆柱度误差的误差源主要是Z溜板的翻滚误差A(z)、偏摆误差B(z)和X向直线度误差D x(z)及溜板运动轴线与主轴回转轴线之间的平行度误差A z<.圆柱度误差在线补偿原理如1图所示,用一根标准直尺和两个电感测微仪在线测量Z溜板的运动收稿日期:20050603基金项目:山东省优秀中青年科学家科研奖励资金资助资目(02BS76)作者简介:王清明(1966男,博士.误差D x (z ),A(z )和B (z ).其中测量B (z )有两个用途,一是用于补偿零件的圆柱度误差,二是用于伺服系统的伺服控制,Z 向激光系统的布置不可避免存在着阿贝误差,阿贝误差来源于B (z ),测量B (z )后就可以利用Z 向激光系统与主轴在水平面内的距离求得该阿贝误差,以便于把该误差附加到伺服系统的反馈环中或者作为误差送入补偿执行机构.1.2直尺和传感器的安装与标定要想保证补偿精度,除了对传感器和直尺的安装和本身精度提出要求外,还有两个问题需要解决,一是两个传感器的标定问题;二是标准直尺的标定问题.对两个传感器的位置提出3个要求,一是两个传感器和主轴回转轴线应尽量处在一个水平面内;二是两个传感器轴线平行且与直尺平面垂直;三是两个传感器之间必须保持一定的距离以保证准确测量溜板的偏摆误差.同样对标准直尺的位置也提出三个要求,一是标准直尺应尽量保证与溜板的运动方向平行;二是标准直尺经过标定的位置(传感器测量的位置)保证和主轴轴线等高,三是标准直尺本身的直线度误差曲线变化应该尽量平稳.图1 传感器和直尺布置示意图1)标准直尺的标定.标准直尺直线度误差的准确标定是实现误差在线测量与补偿的关键,目前标定方法主要有三种即:直接测量法、间接测量法和直尺反转法.(1)直接测量法.如果有高精度测量仪器,直接测量直尺的直线度误差是最方便的,如文献[4]用激光束作为直线测量基准,用二维压电陶瓷支持架装夹测量传感器测量零件的直线度误差,测量精度达到了纳米级,目前国内很难达到如此高的精度.哈尔滨工业大学研制的直线度误差激光测量系统测量精度为0.1L m.(2)直尺反转法.该法的一个突出优点是能同时分离出直尺的直线度误差.设溜板的运动直线度误差为M (x ),直尺的直线度误差是S (x ),正反向两个位置测量时传感器的输出分别为L 1(x )和L 2(x ),则L 1(x )=M (x )+S (x )L 2(x )=-M (x )+S (x )(1)求解(1)式即可得到M (x )和S (x )M (x )=[L 2(x )-L 2(x )]/2S (x )=[L 1(x )+L 2(x )]/2(2)传感器的输出L n (x )(n =1,2)用多项式拟合为L n (x )=A n +B n x +C n x 2+,式中:A n 为直流分量即测量的初始值;B n x 为直尺与溜板运动方向的安装误差.通过拟合可以消除这两项,由于拟合会引进不确定性,因此采用(2)式拟合消除这两项后得到溜板的直线度误差和直尺的直线度误差,而不用(1)式.在实际应用中,造成直尺反转法测量不确定性的主要原因有两个,一是环境因素的影响,特别是环境温度的变化及振动,另一个是反向过程中直尺和传感器的再定位误差,这就有必要利用溜板的位置信息直接控制反转法测量过程,以保证两次测量溜板的位置相同,测量原理如图2所示,这样再定位误差就成为传感器测头与直尺标定开始点的对准问题,包括高度方向和溜板轴线方向.作者采用传感器安装在溜板上并且使直尺反转前后在溜板的一侧的方法进行测量.如果反向后传感器与直尺对准误差为$x 简称对准误差(设高度方向没有误差),则(1)式变为L 1(x )=M (x )+S (x )L 2(x )=-M (x )+S (x +$x )(3)对方程组求解得 M (x )=[L 1(x )-L 2(x )]/2+[S (x )-S (x +$x )]/2=44山东理工大学学报(自然科学版)2005年[L1(x)-L2(x)]/2-12$x ddxS(x)(4)由(4)式知道:如果直尺的直线度误差S(x)的最大梯度很大,则利用反转法测量溜板的直线度误差的精度对对准误差很敏感,否则可允许较大的对准误差,也就是说根据(2)式得到的S(x)的梯度可求得保证溜板直线度测量精度的对准误差的最大值.利用反转法由Z溜板对Z向直尺进行标定很不方便,试验采用X溜板对Z向直尺进行了标定,如图1所示圆柱度误差补偿需要两个相距一定距离(试验距离是100mm)的传感器测量Z向直尺,由于X溜板的运动范围是150mm,再加上两个传感器是独立工作的,因此采用两次反转法分别标定两个传感器所经过直尺段的直线度误差,当然一次标定也是可以的(这是需要坐标平移处理),标定完Z向直尺后把直尺安装到Z溜板上,把传感器安装到床身上即可进行补偿加工.需要注意的是在正反两个位置测量时都需要进行多次测量并取平均值以最大程度地减少或消除随机性影响.(3)间接测量法.为了标定直尺或者验证反转法标定直尺直线度误差的精度,作者用激光测量系统间接测量了直尺的直线度误差,测量布局如图3所示,其中激光束和传感器轴线和刀具等高,这种方法的最大优点是在严格控制环境条件的情况下,一次就能测得直尺的直线度误差,不以溜板运动的重复性为基础.测量过程由Z溜板的位置确定,在某一点同时采样激光测量系统和电感传感器,设传感器输出为D(x),激光系统输出为N(x),以第一点为测量零点,则图2反传法和间接法标定直尺原理图图3间接法测量布置示意图D(x)=ax+M(x)+S(x)N(x)=bx+M(x)(5)式中:M(x)为溜板的直线度误差;S(x)为直尺的直线度误差;a,b为线性项,分别指平尺和激光与溜板运动方向的夹角.对两式分别用最小二乘拟合即可消除线性项的影响,(5)式变为D(x)=M(x)+S(x)N(x)=M(x)(6)由(6)式即可得到S(x).通过标定使用的标准直尺的直线度误差为0.08L m/100m m.2)传感器的标定.高精度、高分辨率及高稳定性传感器是获得误差补偿量的关键,因此对两个传感器进行标定以保证它们在位移测量上的统一是必要的,本试验用PI公司生产的超精密电容测微仪对两个传感器进行了标定,其最高分辨率可达到0.1nm,试验使用1nm档进行标定.标定方法是:以超精密电容测微仪作为测量基准,利用微进给工作台对两个电感传感器进行标定.其中微动工作台的分辨率是0.02L m,微位移范围是12L m.经标定两个传感器标定结果分别是0.648V/L m,0.660V/L m.1.3圆柱度误差补偿原理把Z溜板定位到零点后,校正安装直尺和传感器,由实测结果知道:直尺的直线度误差曲线比较平坦,因此对对准误差不是很敏感,但是尽量小心安装保证直尺与溜板运动方向平行还是很重要的,这一点可以通过多次拟合多次调整来实现,调整完成后拟合出直尺和溜板运动方向之间的夹角H z,设在Z 溜板运动过程中偏摆误差为B(z),如图4所示,且设两个传感器的初始值为零,则45第4期王清明:零件圆柱面车削误差在线补偿技术B(z)=[V2(z)-S2(z)-V1(z)+S1(z)]/L(7)式中:S1(z),S2(z)分别是两个传感器在测量范围内直尺直线度误差的多项式拟和函数;V1(z),V2 (z)分别是两个传感器的读数;L为)))两个传感器之间的距离,即100mm.1)加工点误差补偿量的计算.补偿的误差有4项,其中D x(z),A(z)和B(z)3项误差造成的在车削敏感方向上的误差由两个电感传感器直接测量,A z<单独测量.设Z溜板在原点时的补偿量为零,主轴轴线上距离真空吸盘5mm处为切削的终点,如图5加工零件时,则在加工点z处的误差补偿量E x(z)为E x(z)=V1(z)+B(z)(L-z)+A z<z-S1(z)-H z z(8)式中L z为Z溜板的运动范围,也就是所能加工工件的最大长度.图4B(z)计算原理示意图图5补偿位置布置示意图2)误差补偿试验问题.实验采用压电陶瓷微动刀架进行圆柱度误差补偿.在Z溜板运动范围内加工直径为5100m m的圆柱面,误差补偿控制系统是独立的,进行误差补偿时需要知道Z溜板的位置,这可以通过计数器卡读码盘或者读激光器来实现.补偿加工前预先启动补偿控制程序,检测溜板是否运动,溜板开始运动即开始补偿加工.在该车床上车削高精度圆柱面时,需要补偿D x(<)和B(<)两项误差,D x (<)可以用标准圆盘的方法进行补偿,至于B(<)可参考端面补偿.误差补偿原理如图6所示.图6圆柱面加工误差补偿原理示意图2结束语本文基于直尺核传感器在线测量误差源,对圆柱度误差进行了补偿实验,测量结果表明:零件的圆柱度误差减少了80%,证明本文使用的误差补偿方法是非常有效的.参考文献:[1]Kiridena V S B,Ferre-i ra P M.Ki n ematic M odeling of Quasis tatic Errors of Three-axis M achini ng Center.J.Int.J.M ach.T ools M anufac,1994,34(1):85-100.[2]Yutaka U da,T suguo Kohno.In-process M easurement and W orkpiece-referred Form Accuracy Control System:Application to Cyli ndricalTurning U si ng an Ordinary Lathe[J].Preci sion Engineering,1996,18(1):50-55.[3]王清明.亚微米数控车床误差补偿技术研究[J].中国机械工程,1999,(10):11691172.[4]Naoya Lkaw a,Shoichi S ser Beam as a Straight Datum and Its Application to Straightness M easurement at Nanometer Level[J].Annals of the CIRP,1988,37(1):523-526.46山东理工大学学报(自然科学版)2005年。