在線誤差補償技術在精密車削加工中得到了廣泛的應用，但在鏜孔中的應用還是很少，特別是在深小孔的鏜削加工中更是少見。與車削等外表面加工方法相比，鏜孔時鏜桿的外徑尺寸受到被鏜孔的嚴格限制，那些安裝在車床刀架上的誤差檢測傳感器和用來對加工誤差進行補償?shù)膱?zhí)行元件，由于其體積較大，不便或不能安裝在鏜桿上。為此，本文提出一種新型結構的微調鏜桿，使在線誤差補償技術能在鏜削加工中得到應用。
車削加工中的微進給機構
圖1a所示為日本大阪大學研制的微動刀架的結構示意圖，該刀架中采用壓電陶瓷傳感器做微進給驅動元件。圖1b是哈爾濱工業(yè)大學研制的壓電陶瓷傳感器驅動的微進給刀架的結構示意圖。
圖1 壓電陶瓷驅動的微進給刀架
上述兩種微量進給刀架都是用在外表面車削加工中的誤差補償裝置上，壓電陶瓷(PZT)傳感器和刀具裝在同一條直線上，由于壓電陶瓷傳感器較長，使得這些微進給裝置在刀具進給方向的尺寸都比較大。
鏜桿的結構設計
在鏜削小而深的孔時，要求鏜桿的直徑小而長度較長。如圖2所示，設計了一種由兩個同軸的內外桿組成的微調鏜桿。其中，外桿做控制用，稱為控制桿，控制桿做成以柔性鉸鏈為支點的杠桿結構，鏜刀和壓電陶瓷傳感器分別安裝在控制桿的兩端。內桿用來測試鏜刀的微位移誤差，稱為測試桿，測試桿設計成懸臂形式，測試桿的一端固定在刀架座上，另一端以柔性鉸鏈的方式與鏜刀和控制桿連結在一起，通過貼在固定端的應變片測試內桿的變形來監(jiān)測鏜刀的徑向位移誤差。這種雙桿形式的鏜桿可以不受壓電陶瓷傳感器和微位移測試傳感器的影響而使鏜桿直徑做得較小，并且長度也能做得較長，以便于加工深小孔。
圖2 雙桿微調鏜桿結構示意圖 圖3 微調鏜桿在線補償系統(tǒng)
微調鏜桿在線補償系統(tǒng)
1.主要組成及工作原理
采用閉環(huán)補償控制的方式來提高鏜削加工精度。如圖3所示，微調鏜桿控制系統(tǒng)主要由以下幾部分組成: (1) 微調鏜桿 (包括控制桿和測試桿)，(2) 應變測試儀部分，(3) PZT傳感器及驅動電源部分，(4)控制計算機。在圖2中，當鏜削力FC變小時，鏜刀將向下偏轉，測試桿也向下偏轉。由應變測試儀測的信號減小，這時計算機輸出一個增大的信號給PZT傳感器驅動系統(tǒng)，PZT傳感器伸長推動控制桿繞柔性鉸鏈支點順時針方向旋轉，這樣鏜刀向下的偏轉就被補償了。同樣，當鏜削力FC變大鏜刀向上偏轉時，PZT傳感器的輸入電壓減小而縮短，控制桿逆時針方向旋轉而補償鏜刀向上的偏轉。于是在精密鏜孔加工過程中，就能夠通過微調鏜桿系統(tǒng)的PZT傳感器的補償作用有效提高加工精度。
2.補償控制模型
為了對加工誤差有效地進行閉環(huán)補償控制，必須對加工誤差進行在線檢測和實時補償，而且所采用的補償控制方法不僅要能夠補償系統(tǒng)誤差，而且還要能夠補償隨機誤差。預報補償控制技術(FCC)是一種非常有效的控制法，這種控制法將加工誤差當做是一組時間序列來分析，不僅能夠補償重復性的誤差而且還能夠補償隨機誤差。預報補償控制技術的主要優(yōu)點是不必研究各式各樣復雜的誤差源對加工誤差的影響，而且可以直接利用誤差序列自身的相關性，根據(jù)已測得的誤差值來有效預報下一時刻的誤差值。為了對鏜削加工誤差進行實時補償，鏜刀的微位移誤差可以用下列的AR(autoregressive)模型來表示：
其中yt 表示鏜刀在t時刻的微位移誤差，fj (j= 1,2, ......)是自回歸參數(shù)，d是白噪聲，代表了誤差序列中的不回歸的隨機部分(這里也包含了測試誤差)。隨著加工的進行，AR模型中的模型參數(shù)不斷被新采集的信息所修正，這樣就使隨機模型能始終正確表達鏜削加工誤差。
預報補償控制技術的一個主要特點是能對加工誤差進行實時的預報，根據(jù)前面時刻和現(xiàn)在時刻測得的誤差值以及所建立的AR模型來預報將來時刻的誤差。這樣提前預報誤差后，就為實時補償加工誤差贏得了時間。根據(jù)公式(1)可以得到提前q步預報的誤差值如下：
圖4 加工誤差預報效果圖
該系統(tǒng)采用的是提前一步的AR(3)模型。 圖4給出了采用這種模型進行預報的效果示意圖，從圖中可以看出加工誤差的預報值與實際值非常接近，能夠滿足精密鏜削加工中誤差補償?shù)囊蟆?BR>
實驗研究
1.仿真實驗
為了確定微調鏜桿系統(tǒng)的動態(tài)補償性能，用仿真實驗的方法對鏜桿系統(tǒng)進行了研究。用一個振動器推動鏜刀來模擬切削過程。當振動器產(chǎn)生一組變化頻率的振動時，測試微調鏜桿系統(tǒng)的動態(tài)補償性能。如圖5所示，當振動頻率由5Hz變化到40Hz時，用示波器觀測到的鏜刀在有補償和沒有補償條件下的位移情況，其中1表示沒有補償條件下的鏜刀位移情況，2表示有補償條件下的鏜刀位移情況。從圖中可以看出微調鏜桿系統(tǒng)能有效的補償頻率為40Hz或以下的動態(tài)誤差。
圖5 加工誤差預報效果圖 圖6 加工結果
2.鏜削實驗
在數(shù)控車床(MAZAK QUICK TURN 8N)上對微調鏜桿在線補償系統(tǒng)進行了實驗研究。實驗中加工一個內徑為35mm，深度為160mm的孔，工件材料是Al，車床轉速為500r/min。在同樣的切削條件下對采用補償和不采用補償?shù)那闆r進行了試驗，并用圓度儀測試了這兩種情況下加工出來的孔的圓度(如圖6所示)。從圖中可以看出微調鏜桿在線補償系統(tǒng)能有效的提高工件的加工精度。
結論
1.研制了新型雙桿結構的微調鏜桿補償系統(tǒng)，實現(xiàn)了對小而深的孔進行誤差在線檢測和補償?shù)木芗庸ぁ?
2.采用時間序列分析的方法對鏜削加工誤差進行建模和預報，試驗表明這種預報補償方法能有效提高鏜削加工精度。
