提高精密同镗的加工精度

1、智能制造杂志，13, 379-389, 2001© 2002 Kluwer学术出版社，荷兰制造提高精密同镗的加工精度M. G. MEHRABI, G. O'NEAL, B. -K. MIN, Z. PASEK , Y. KOREN（密歇根大学安娜堡分校机械工程系，密歇根州，美国）Lamb Technicon，沃伦，密歇根州，美国2001年4月收到论文并于11月接受摘要：高加工精度的需求日益增长，以获得更高的精确度和低表面粗糙度，因为它们是保证产品质量和性能的关键因素。总的说来，加工操作与不同来源的原始级的误差是相关联的。因此，加工的尺寸特性通常与期望的标称值相偏离。误差来源的

2、识别，测量技术（在线或离线），其补偿有效的策略是尽量减少所需的步骤，并且在某些情况下消除过程误差。本文将专注于加工操作中特定的同镗工艺的建模及几何误差补偿。这是一个正在进行的侧重于为加工长孔而设计和开发出一个灵活精密的同镗站的研究项目的一部分。通过对几何误差来源及其组成的简要概述后，下面介绍一种关于它们的计算方法。在这方面，反映了机床几何误差在刀尖的影响的误差方程被推导出来了。它表明，这些方程能够进一步简化并且不会显著影响结果的计算精度。这使得该方法对于实时应用更具吸引力。一组从样机获得的实验数据被用来研究该方法的有效性，同时也报道了相应的结果。本文通过讨论，用不同的方法和工具演示总结了这些误

3、差的实时补偿。关键词：加工误差，数控机床，加工工艺，精密加工，几何误差，误差补偿 1.引言技术的快速变化与经济全球化创造了一个新的制造环境，其特点是竞争激烈的市场（国内和国际）。制造业企业在生产高质量产品中的响应能力（快速/经济有效应对市场的需求）是他们未来成功的关键（Jaikumar,1993; Mehrabi等人,1997）。这种竞争在可以观察到剧烈波动的客户需求交付高质量产品的汽车行业里更加激烈。汽车行业生产过程的主要部分是以机械加工为基础的，因此，最终产品的质量将在很大程度上受到机床精度和产品加工工艺的影响。在涉及生产汽车零部件众多的加工工艺中，精密同镗（用于加工发动机缸盖和机体）在质

4、量和产品需求量方面是一种严苛要求的应用。该工艺也被认为是主要用于加工凸轮和曲轴轴颈的最重要和难度最大的加工操作之一（见图1）；这些零部件中长孔长度，小直径和轴颈之间的距离造成了执行这种类型的加工操作的困难。 图1 凸轮轴轴颈加工过程在本质上是非常复杂的，会有许多影响生产过程和零件加工精度的参数。因此，一旦一个零件被加工，那么它的实际尺寸是不同于设计中所期望的规定尺寸的。虽然它并不总是能够完全消除的尺寸偏差，理想的是可以将这些变化保持在由公差限定的一定范围内。加工误差通常分为随机误差和系统误差。随机误差是由机床误差（例如，轴承，间隙等）和操作误差联合引起的；因此，被加工零件的误差及其尺寸变化遵循

5、通常的正态分布。另一方面，随机误差引起一个方向的漂移，因此，工件的平均尺寸会发生系统化的偏移(Yandayan and Burdekin, 1997; Ni, 1997)。这些类型的误差是由切削过程中刀具磨损，机床结构的热膨胀，刀具的偏转（加工过程中）和刀具、夹具、工件夹紧装置的性能所引起的。机床的几何误差属于第二类。它们会引起被加工零件尺寸的系统误差。它们本质上是位置相关的（机器的轴），并且都是轴运动和机器结构的函数。因此，它们表明了其在刀尖方面的效果，并且直接影响了被加工零件的精度。文献调查表明，有许多开展了重点是在机械加工中产生的特定方面的误差的研究。Rivinand Kang(1987

6、) 和Tlusty (1971)已经发表过了与镗杆设计相关的问题。他们介绍了不同的方法来提高镗杆的动态刚度以便保持被加工孔和表面光洁度的几何精度。为了努力更好地了解加工工艺和所涉及的参数，刀具和工艺的建模是要研究的重要课题。相关的是 Iwata 和Moriwaki (1981), Araki (1985) 和 Kashani 等人，(1993) 已经开发出不同的工具和加工工艺模型，这些模型可用于研究工具和机器组件的热影响和机械扭曲，切削力，孔温度和振动在被加工零件质量上。在相关补偿技术的研究中，Kashani（1993），Rasmussen（1992）等人和Crawly（1990）等人提出了许

7、多尽量减少刀具振动对表面光洁度质量的影响的方法。文献调查还表明，有一些研究报道了在机械加工中与尺寸测量技术，工件精度和建模中的几何误差相关的内容。Ni, 1997; Ferreira and Liu, 1991; Donmez 1986等人; Schultschik, 1977; Yandayan and Burdekin, 1996)。Schultschik (1977)，French and Humphries (1967) and Leete (1961) 曾考虑加工中的体积误差，并且已经开发出系统评价机床精度的模型。在一份Ferreira and Liu(1991)发表的报告中，开发模

8、型是来估算加工中的几何误差，同时机床结构的热影响也被考虑在内。在他们的工作中，他们将加工中的误差归类于准静态误差（在刀具和工件之间随时间缓慢变化的误差）和动态误差。另一方面动态误差是由主轴旋转误差，机床结构的振动（自诱导和强迫）和可变载荷作用下的变形；这些误差随时间变化的相对更快。据报道，准静态误差是非常重要的，几乎占机床误差的70。可能会注意到,虽然加工误差的来源是不同的,然而对于任何实用目的，它们的净效应应该考虑刀尖。几何误差遵循相同的规则，它们的整体效应应该考虑刀具-工件借口。在本文的以下部分，会讲述几何误差及其来源的简要说明和相关术语的解释。表示刀尖产合成误差的数学模型被推导出来。它表

9、明这些方程可以进一步简化而不会显著影响结果。这使得该方法用于实时应用更具吸引力。一组从样机获得的实验数据被用来研究该方法的有效性，并且研究结果也已报道了。文章结尾讨论了算法的实时补偿。2.几何误差（定义和记号）机床中有七种类型的几何误差，包括角度误差（俯仰和滚转），直线度误差和线性位移误差（滑动）以及机床结构的垂直度误差（Kim 等人，1987）。图2说明了用于单一轴的Z轴运动的6项误差形式。一台完整机床的误差描绘是一个漫长而繁琐的任务。对于一台三轴机床，存在21种误差形式（每根线性轴的6项误差，加上三种与XY-,XZ-和YZ-矩形平面相关的误差）(Kim 等人，1987；Ferreira a

10、nd Liu，1991；Szuba，1998；Mehrabi，1998；Lamb Technicon，1998)。如果有可用的足够自由度，那么所有的误差可以被最小化甚至消除。然而,自由度补偿的目的通常是有限的,因此该误差可能只是在轴的行程路线上得到补偿。3. 误差方程的发展加工操作的主要目的是确保某些重要过程的几何属性被保持在不同加工工艺的特定公差范围内。孔加工工艺特征的几何属性有（Szuba, 1998 ; Mehrabi, 1998 ; Lamb Technicon, 1998）：圆度：所有相交平面上的点和垂直于旋转轴的一个平面的度是和轴线等距的：同心度：用来衡量任何两个或更多个零件特征的

11、度，如圆柱形表面和圆形孔有一个共同的轴线；圆柱度：是表示零件上圆柱面外形轮廓上的各点，对其轴线保持等距状况，如汽缸的所有点是从旋转轴的距离相等;垂直度：一个零件特征所有的点，例如曲面，直线或者轴线与参考平面，线或者轴线是等距的；表面粗糙度：生产过程中固有的表面不规则等，刀具加工凹槽。这些属性大多受刀尖在XY平面内位置的精确性和刀尖运动方向的影响。因此，X轴和Y轴的误差补偿是特别重要的。按照惯例，如果压板的功能（见图3）是携带工件，这些误差都是相对于名义刀具位置测量的；否则测量均采用相对于一个名义工件位置。在孔加工中，刀具是一个移动元素，因此一组固定的基准坐标轴需要在夹具中心线上。此外，一组单独

12、固定的基准轴需要在压板的中心来定义刀尖的位置（见图3）。 误差方程可以用关于绕轴旋转的矢量矩阵来导出（Groover 等，1986）例如： 图2 六个基本轴误差（i），偏航误差实例（ii）及其组成成分（iii），Z轴实例图3 单轴机的示意图。 000000001001 （1） 100 000000 00 1 （2） 00010 000000 1 （3） 对线性翻译的侧倾，俯仰，偏航和均匀的转换例如： 100a010b00001c01 (4)对于直线度误差。在上面的等式中，（j）条是滚动，俯仰和偏航误差；a，b和C是X轴，Y轴和Z轴的直线度误差。为了计算刀尖的所有误差，方程1-4应乘上用连续的方

13、式描述其它轴误差的类似矩阵，这使得计算的体积相对较大。另外，垂直度误差（机床轴线之间的误差）需要被包含在这些计算中。然而，由于所涉及的角度非常小（在角秒量级），导致二次项从这些转变中可以忽略不计。这是相当于独立地处理每个单独误差的影响，并将其叠加，以获得在刀尖处总误差。例如，参照图2，可以看出，Z轴（即）一个小的滚动误差的净效应会在X轴和Y轴产生两个误差分量。这对于其它的角度误差，直线度误差和机床结构的垂直度误差也是正确的。可以通过叠加这些误差成分而得到刀尖的总误差。此外，三角函数的近似（即，和）可用于进一步简化这些关系。对于所考虑其运动学机器（参见图2和图4），以下方程从三个方向的误差中获得

14、（Szuba 1998；Mehrabi，1998）： （5） （6） （7）上述方程中使用的下列符号：x，y和z是刀尖总误差的组成成分（即由控制器对每根轴所需运动进行补偿）；是轴的角度误差；是机床机构的垂直度误差；i（j）i，j=x，y，z是轴的直线度误差，x，y和z是坐标轴；L和D是工具栏（见图2）的长度和中心高度（沿Y轴）；S是求和符号。这些方程（即方程5-7）提供了机床三轴产生的误差的瞬时幅值需要由控制器来补偿。仔细看看这些方程表明从计算的角度来看，它们是相当简单的，所有的计算可以实时完成。当与典型的计算和所涉及到的矩阵计算相比较时，方程1-4在误差计算中使用时，人们可以很容易地看到这种

15、方法的好处。涉及的角度误差可以通过（开/关线）测量来获得;对于线性误差来说也是正确的（例如，矩形和直线度）。 图4 机器示意图4.实验结果与补偿算法的讨论 为了研究该方法的有效性，从机器上获得一组数据（共计21台） 。实验是在机械加工误差测量ASME指引的基础上进行的（ASME准则， 1992）。这台机器是在其快速移动速度（1.0m/s）下运行的，并且加速度为该机器的最大加速度（ 1.08 m/ ）。该数据是经过机器预热一段时间后采集的。激光干涉仪用来测量直线度误差和电子水准仪测量角度误差（见图5）。角度和直线度误差的实验数据样品如图6所示；实验装置和测量数据的详细信息可以在Szuba（199

16、8年）和Mehrabi（1998）中查询。图7显示了通过使用精确的方程（即使用每根轴对应的方程1-4）简化方程（即方程5-7）所得到的计算误差的范围。可以看出，一般而言，刀尖误差（由于计算）在所有三根轴是在± 0.0014之内的。为了获得一个典型镗孔工艺的精度，这是十分有效的。 因此，根据误差计算该方法虽然提供了非常兼容的结果,它有一个非常适合于实时应用简洁形式,。 图5 用于测量水平轴的偏航误差的实验装置示意图4.1 误差纠正技术 如前所述，误差补偿仅限于轴运动的方向。为了充分补偿误差（角度和线性），这需要额外的自由度，而额外自由度通常是很难产生的。一个拟议的解决方案是使用被设计为

17、该项目一部分的智能工具''（Koren and Pasek, 1998; Pasek and Szuba, 1998; Lamb Technicon, 1998）。智能工具设计背后的想法（见图8）是在驱动器的帮助下使刀尖沿径向移动，例如压电致动器，可以补偿镗杆偏转和几何误差的组成部分。在同镗工艺过程中，镗杆的悬垂部分是比较大的。因此，一些套在轴颈的导向块被用来当作它的支撑。一旦置于发动机箱体内部，这些导向就会限制镗杆的径向移动。智能工具的应用是一种用来增加用于补偿的自由度数目，同时克服了这一限制。智能工具考虑了刀尖在直径方向的精确移动，补偿镗杆挠度和部分几何误差。最后指出，智能

18、刀具在直径方向的移动是有限的（小于50），轴的运动和智能刀具的径向运动的组合应该用于补偿XY平面的线性误差（通过求解方程5-7获得）。值得一提的是不同的机械加工中误差补偿技术是由其图6 关于偏航和直线度误差的典型实验数据 他研究人员提出的。例如， Kaiji 等人（1995）提出了一个有效的可以控制或消除滚珠丝杠间隙的滚珠丝杠机构设计准则。据报道，超精密定位可以通过组合轴运动（对于相对粗糙的运动）和用于精细运动的压电驱动器来实现。然而，他们的工作重点是消除间隙，它是加工误差的一个组成部分。在这项研究中，压电驱动器被用来精确定位刀尖相对于工件运动。因此，利用这种方法，由刀尖反映的误差综合影响被有

19、效的补偿了。智能工具包括以下几部分组成 (Koren和Pasek，1999;；Koren 等人，1999；Pasek 和Szuba，1998； Szuba，1998)： 图7 由于计算导致的误差范围 图8 职能刀具的原理图（）刀尖的转换机制，（）激光测量系统，（）计算机控制器，及（iv）用于通信的无线发射器（见图8）。刀尖转换机制采用的是压电驱动器，可为镗杆提供高达50m的相对位移的。位置灵敏的光电探测器为刀尖和镗杆终了位置提供了XY平面的实时反馈信号。控制器在带有133兆赫的AMD5×86 CPU和一个模拟接口的PC/104计算机上实现。所有的控制算法通过使用使用一个存储器集成电路

20、被嵌入控制器，并且控制回路具有0.15ms的采样周期。智能刀具控制器使用一个标准的串行数据端口和机器控制器交流，通过无线感应旋转发射器，这也为驱动器和电子设备传输电力。主控制器可以启动和停止控制回路，以及上传数据和参数到智能工具上或从智能工具下载。图9显示了智能工具的阶跃响应和实验结果说明了其跟踪性能。由刀尖偏移引起的误差的时间响应历程显示在同一张图中，从在钻孔相对于主轴轴线在不同的主轴转速中心位置刀尖的偏移而产生的误差的典型时程（在这种情况下1000转，10000转），并在补偿他们的智能工具的实时性能示于相同的数字。可以看出智能工具能够以一种非常快和一致性的方法来补偿误差。图9 智能工具使用

21、时误差补偿的实验结果。主轴转速（a）1000rpm，（b）10,000rpm 图10 通过使用双线性驱动器系统的节距误差补偿线性误差可以通过刚刚描述的方法进行补偿，而角度误差则更难以补偿，因为大多数机器不提供任何角度运动。一种可能的角度误差补偿是利用本机的特殊结构，该机器允许生成额外的自由度（但有限）（Koren等人，1999)。通过在Y或Z方向使用双线性驱动器系统（参见图10），节距误差可以得到部分补偿。结果分析表明（Szuba，1998；Mehrabi，1998）Z轴的节距误差在刀尖误差有个主导性的影响。应当注意到机器的控制结构（软件/硬件）在成功执行任何补偿方案中扮演了一个关键角色。带有

22、专有控制器的机器的实时误差补偿通常是困难的，因为它们需要一些额外的硬件和接口部件 (Ni，1997；Donmez等人，1986)。但是在带有开放式架构的控制器的机器中，各种方案可以很容易地被实现(Koren等人，1996)。设计中的机器具有开放式架构的控制器，因此访问它的控制器和添加或删除额外的软件/硬件是相当方便的。5. 结论 本文的重点是与同镗工艺相关的几何误差和这些误差补偿的方法。这里提供了有关误差计算的一般过程。这表明通过使用三角函数的近似而不带来结果的显著变化来简化方程是可行的。通过使用智能工具和双滚珠丝杆方法修正角度误差的误差补偿算法被讨论了，并且给出了实验结果。感谢笔者很感激NI

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