數(shù)控機(jī)床單軸受力誤差測(cè)量系統(tǒng)*

陳寶月 劉煥牢 李小力 劉 璨 譚光宇

（①?gòu)V東海洋大學(xué)，廣東湛江524088;②華中科技大學(xué)，湖北 武漢430074）

影響數(shù)控機(jī)床加工精度的誤差因素，一般包括:機(jī)床零部件制造和裝配時(shí)的幾何誤差（Geometric error），熱變形引起的誤差（Thermal Induced Error），加工過(guò)程中切削力引起的誤差簡(jiǎn)稱切削力誤差（Cutting Force Induced Error），其他誤差（如跟蹤誤差（Trajectory Following Error）等）［1］。經(jīng)過(guò)這些年的努力，對(duì)幾何誤差、熱誤差的補(bǔ)償研究已經(jīng)取得了較好的成效，同時(shí)隨著高性能驅(qū)動(dòng)軸技術(shù)以及現(xiàn)代控制算法的使用，跟蹤誤差得以大幅度減小，然而對(duì)于切削力誤差的預(yù)防和補(bǔ)償卻嚴(yán)重滯后［2－3］。各國(guó)學(xué)者在早期誤差補(bǔ)償技術(shù)的研究中，大部分并沒(méi)有考慮切削力誤差，但是，隨著切削力的增大和高效切削以及一些難加工材料應(yīng)用的日益廣泛，切削力誤差問(wèn)題變得越來(lái)越突出。

Eyüp Sabri Topal等人采用測(cè)力傳感器獲取切削力信號(hào)，然后利用理論計(jì)算得出誤差數(shù)值，對(duì)切削力誤差進(jìn)行測(cè)量［4］。X.Li運(yùn)用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)建立了切削力誤差模型，預(yù)測(cè)切削力分量（徑向、軸向、切向）和系統(tǒng)變形導(dǎo)致的工件尺寸偏差之間的關(guān)系［5］。W.Polini［6］建立了切削力模型以預(yù)測(cè)其變形引起的工件誤差。Sin－Young Lee［7］研究了數(shù)控銑床各種切削條件下的銑削力，根據(jù)刀具變形、切削力和機(jī)床誤差之間的關(guān)系建立了切削力誤差模型。Chana R.等人采用測(cè)力傳感器間接檢測(cè)切削力，使用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)建立了幾何誤差和力誤差的綜合誤差模型［8］。S.Ratchev［9］、T.C.Bera［10］等通過(guò)建立銑削力模型，來(lái)預(yù)測(cè)刀具和工件變形引起的工件表面誤差。

基里維斯等利用壓力傳感器法、電流識(shí)別法以及經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算法得到力的大小，通過(guò)位移傳感器獲得誤差數(shù)值樣本［11］。吳昊等對(duì)精密車削中心切削加工過(guò)程中的熱變形和切削力進(jìn)行了分析，建立了熱誤差和切削力誤差的綜合模型［12］。也有通過(guò)主軸伺服電動(dòng)機(jī)電流信號(hào)間接測(cè)量切削力，建立了切削力誤差的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)數(shù)學(xué)模型［13－15］。張宏韜對(duì)雙轉(zhuǎn)臺(tái)五軸數(shù)控機(jī)床進(jìn)行了誤差動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)補(bǔ)償研究，指出了五軸數(shù)控機(jī)床的幾何誤差、熱誤差和切削力誤差的來(lái)源，并進(jìn)行了誤差的測(cè)量［16］。萬(wàn)敏等采用銑削力模型預(yù)測(cè)銑削誤差［17］。孫暄等［18］提出一種螺旋立銑刀加工中動(dòng)態(tài)切削力的建模方法，通過(guò)微元法建立的切削力數(shù)學(xué)模型和斜角等厚度切削有限元模型兩者相結(jié)合，對(duì)誤差的來(lái)源進(jìn)行了分析。

根據(jù)以上的文獻(xiàn)表明，在切削力和機(jī)床誤差關(guān)系方面，目前主要是采用力傳感器來(lái)測(cè)量切削力，通過(guò)力模型或者加工工件誤差反求獲取機(jī)床誤差數(shù)值，都是間接地獲得了切削力誤差，而沒(méi)有直接得到切削力和誤差數(shù)值的直接對(duì)應(yīng)。由于切削過(guò)程復(fù)雜，現(xiàn)有測(cè)量?jī)x器不能直接用于測(cè)量切削力誤差，所以目前的誤差測(cè)量技術(shù)很難使用，需要采取合適的試驗(yàn)方法獲得切削力和機(jī)床誤差的對(duì)應(yīng)關(guān)系。

本文針對(duì)切削力誤差研究中存在的問(wèn)題，模擬切削過(guò)程中工藝系統(tǒng)受力狀態(tài)，提出數(shù)控機(jī)床單軸受力誤差測(cè)量系統(tǒng)，直接獲取機(jī)床誤差（直接測(cè)量法）。

1 數(shù)控機(jī)床單軸受力誤差測(cè)量系統(tǒng)

數(shù)控機(jī)床單軸受力誤差測(cè)量系統(tǒng)，通過(guò)施力裝置給機(jī)床施力，模擬切削過(guò)程中工藝系統(tǒng)受力狀態(tài)，來(lái)直接測(cè)量機(jī)床誤差。首先要獲得施加力的大小即切削力軸向分力的大小，然后設(shè)計(jì)施加平均力（恒力）的裝置，使數(shù)控機(jī)床處于或近似處于切削狀態(tài)，以使步距規(guī)可以直接用于測(cè)量誤差，開展“恒力”情況下的測(cè)量試驗(yàn)，使用步距規(guī)和杠桿式傳感器的組合測(cè)量單軸受力誤差，達(dá)到單軸受力和誤差的直接對(duì)應(yīng)。

1.1 單軸受力大小的獲得

采用測(cè)力儀測(cè)量切削力，選取合適的切削參數(shù)，測(cè)量數(shù)控機(jī)床不同加工條件下的切削力大小。本文采用應(yīng)變片式測(cè)力儀，是利用切削力作用在測(cè)力儀的彈性元件上，使緊貼在彈性元件上的電阻應(yīng)變片隨其發(fā)生變形，從而其電阻值改變，經(jīng)過(guò)轉(zhuǎn)換后，得出切削力各單軸分力的大小。

1.2 單軸受力誤差測(cè)量系統(tǒng)

設(shè)計(jì)施力裝置，給工作臺(tái)施加恒力，模擬切削過(guò)程中工藝系統(tǒng)受力狀態(tài)。

施力裝置由定滑輪、螺紋調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)和支架組成。鋼絲繩一端連接工作臺(tái)，另一端連接鐵塊，通過(guò)施力裝置使機(jī)床受力;調(diào)整施力裝置的位置，使施力方向與所測(cè)量的坐標(biāo)軸共面;通過(guò)螺紋調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)調(diào)節(jié)施力裝置的高度，使施力方向與此坐標(biāo)軸水平。使用步距規(guī)和杠桿式傳感器的組合測(cè)量單軸受力誤差（如圖1）。

1.3 機(jī)床單軸受力誤差的測(cè)量

采用花崗巖步距規(guī)與杠桿式傳感器的組合來(lái)測(cè)量單軸受力誤差。將花崗巖步距規(guī)水平地放置在機(jī)床工作臺(tái)上，使用百分表進(jìn)行校準(zhǔn)（如圖2），使花崗巖步距規(guī)與Y軸夾角近似等于0，在調(diào)整過(guò)程中，保證誤差在10 μm 以內(nèi)。

給機(jī)床X軸方向施加力，進(jìn)行誤差的測(cè)量，設(shè)備的連接如圖1。為了減小鋼絲繩與定滑輪之間在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中產(chǎn)生的滑動(dòng)摩擦，將定滑輪與鋼絲繩（運(yùn)動(dòng)行程范圍）上涂抹潤(rùn)滑油。調(diào)整施力裝置的位置，使所施加的力與X軸水平，調(diào)整施力裝置的高度，以保證力是水平的。所施力的大小由鐵塊的質(zhì)量來(lái)決定。杠桿式傳感器通過(guò)磁性座連接到主軸上，并通過(guò)RS232接口連接計(jì)算機(jī)以進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。

2 誤差測(cè)量結(jié)果

在漢川機(jī)床XH714D加工中心上，運(yùn)用上述機(jī)床單軸受力誤差測(cè)量系統(tǒng)，根據(jù)所測(cè)得的切削力X軸分力的大小范圍，選取0 N和140 N分別進(jìn)行施力來(lái)測(cè)量誤差，位置誤差測(cè)量結(jié)果如表1，重復(fù)定位精度R和定位精度A結(jié)果如表2。

表1 位置誤差測(cè)量結(jié)果

表2 重復(fù)定位精度R和定位精度A結(jié)果

3 結(jié)語(yǔ)

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，數(shù)控機(jī)床單軸受力誤差測(cè)量系統(tǒng)可以直接獲得力大小與誤差數(shù)值的對(duì)應(yīng);由表1、2看出，機(jī)床受力的情況下，誤差數(shù)值增大，說(shuō)明數(shù)控機(jī)床零部件在一定彈性變化范圍內(nèi)，機(jī)床單軸受力使機(jī)床的誤差增大。

本文提出數(shù)控機(jī)床單軸受力誤差測(cè)量系統(tǒng)，并測(cè)量了機(jī)床單軸受力引起的誤差，實(shí)現(xiàn)了機(jī)床單軸受力大小和誤差數(shù)值的直接對(duì)應(yīng)。為數(shù)控機(jī)床單軸受力誤差提供了理論基礎(chǔ)和測(cè)量方法，為數(shù)控機(jī)床的動(dòng)態(tài)特性及接觸剛度提供試驗(yàn)數(shù)據(jù)和理論基礎(chǔ)。

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