韓 偉 崔益銘 劉 闊 陳玉峰 陳 虎 王永青
(①大連理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院,遼寧 大連 116024;②科德數(shù)控股份有限公司,遼寧 大連 116600)
加工精度是表征數(shù)控機(jī)床加工能力的重要指標(biāo)之一。一方面,在受到機(jī)械磨損等因素的影響后,機(jī)床加工精度逐漸衰退[1-2],精度保持能力隨之下降。另一方面,在加工過程中機(jī)床受到來自設(shè)備內(nèi)部和外部熱源的影響,熱變形成為影響加工精度及其穩(wěn)定性的重要因素[3-4]。數(shù)控機(jī)床的精度保持性與精度穩(wěn)定性下降,進(jìn)而導(dǎo)致批量生產(chǎn)工件精度一致性差、良品率低及效率低下等一系列問題。
在生產(chǎn)制造過程中,主要依靠定位誤差補(bǔ)償緩解零件磨損、失效等帶來的精度保持性下降問題,情況嚴(yán)重時(shí)甚至需要更換零部件。一方面,定期進(jìn)行定位誤差補(bǔ)償?shù)姆椒ú⒉荒茉诒举|(zhì)上解決磨損帶來的問題。在機(jī)床的長期服役過程中對進(jìn)給軸磨損、精度失效等情況進(jìn)行監(jiān)測是十分復(fù)雜、困難的工作[5],也會(huì)降低生產(chǎn)效率。另一方面,更換零部件可以提高進(jìn)給軸的精度保持性,但是生產(chǎn)設(shè)備停機(jī)將給用戶造成一定經(jīng)濟(jì)損失,零部件更換后的調(diào)試工作也是相對復(fù)雜費(fèi)力的。對于進(jìn)給軸熱誤差造成的精度穩(wěn)定性下降問題,通常采用實(shí)時(shí)補(bǔ)償?shù)姆绞教岣呔确€(wěn)定性。
進(jìn)給軸在長時(shí)間服役后,絲杠螺母副將逐漸產(chǎn)生磨損。此過程中,滾珠與絲杠滾道、螺母滾道的接觸位置幾乎不變。長期受到交變動(dòng)載荷、沖擊和彎扭作用,滾珠與滾道表面都將產(chǎn)生一定磨損量,其中絲杠滾道受到的磨損最為嚴(yán)重[6]。有文獻(xiàn)顯示,黏著磨損是絲杠螺母副中最常見的磨損形式,對絲杠螺母副傳動(dòng)精度的影響最大[7-8]。滾珠與滾道表面金屬黏著,造成金屬表面破環(huán)并產(chǎn)生了金屬碎屑,進(jìn)一步加劇了絲杠螺母副內(nèi)部的磨損情況[9]。
絲杠螺母副磨損將導(dǎo)致進(jìn)給軸反向間隙誤差的產(chǎn)生,進(jìn)而影響進(jìn)給軸雙向定位精度[7,10]。反向間隙主要受到絲杠螺母副預(yù)緊狀態(tài)的影響。因此,預(yù)緊力是影響絲杠副性能衰退的重要因素。除預(yù)緊力外,轉(zhuǎn)速、載荷分布、潤滑、滾道結(jié)構(gòu)和摩擦力矩等也是絲杠螺母副性能退化的影響因素[1]。但這些因素具有難以量化、不易改變和監(jiān)測困難等缺陷。因此,如果能夠?qū)崿F(xiàn)對絲杠螺母副預(yù)緊力的主動(dòng)調(diào)控,則可以間接抑制進(jìn)給軸的反向間隙與雙向定位誤差,改善進(jìn)給軸精度保持性。
馮虎田等[9]提到在雙螺母中加入墊片可以改變絲杠螺母副預(yù)緊力。李郝林等[11]發(fā)明了一種利用壓電陶瓷調(diào)節(jié)工作臺預(yù)緊力的裝置。Wang Q等[12]采用超磁致伸縮杠桿的形式調(diào)節(jié)絲杠螺母副的預(yù)緊力,但裝置安裝在絲杠螺母外部,不具有實(shí)用性。Ehrmann C等[13]壓電陶瓷同時(shí)作為傳感器和執(zhí)行器監(jiān)測螺母預(yù)緊力,設(shè)備集成度高,對壓電陶瓷的性能要求較高。Drossel W G 等[14]提出一種采用形狀記憶合金代替雙螺母間墊片來減緩零件磨損帶來的精度損失的方法,但是在可操控性仍存在不足。
為了實(shí)現(xiàn)進(jìn)給軸絲杠螺母副預(yù)緊力主動(dòng)調(diào)控與開展進(jìn)給軸精度保持性與穩(wěn)定性研究,采用誤差抑制與誤差補(bǔ)償相結(jié)合的方式,基于精度自愈概念設(shè)計(jì)并搭建了數(shù)控機(jī)床進(jìn)給軸精度自愈試驗(yàn)平臺。
為了實(shí)現(xiàn)進(jìn)給軸絲杠螺母副預(yù)緊力實(shí)時(shí)監(jiān)測與自主調(diào)控,在絲杠螺母副性能衰退機(jī)理分析的基礎(chǔ)上,設(shè)計(jì)了絲杠螺母副預(yù)緊力主動(dòng)調(diào)控試驗(yàn)平臺,試驗(yàn)平臺系統(tǒng)框架如圖1所示??蚣苤邪囼?yàn)平臺機(jī)械部分、預(yù)緊力調(diào)控系統(tǒng)與熱誤差補(bǔ)償系統(tǒng)。
對于預(yù)緊力調(diào)控系統(tǒng)來說,絲杠螺母副預(yù)緊力值F為輸入量,而控制促動(dòng)器伸長量lc為輸出量。選擇通過PID控制方法實(shí)現(xiàn)預(yù)緊力的主動(dòng)調(diào)控,控制目標(biāo)是絲杠螺母副預(yù)緊力為恒定值。預(yù)緊力調(diào)控系統(tǒng)可以方便快捷地實(shí)現(xiàn)預(yù)緊力F主動(dòng)調(diào)控。
對于熱誤差補(bǔ)償系統(tǒng)來說,配合熱誤差補(bǔ)償軟、硬件[15]實(shí)現(xiàn)進(jìn)給軸精度穩(wěn)定性的提升。通過溫度傳感器采集熱關(guān)鍵點(diǎn)的溫度值,建立熱誤差模型。通過補(bǔ)償軟件與CNC通訊實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的讀取與寫入,基于坐標(biāo)原點(diǎn)偏移功能實(shí)現(xiàn)熱誤差的實(shí)時(shí)補(bǔ)償。在絲杠螺母副元件長時(shí)間磨損過程中,補(bǔ)償模型中的重要參量單次摩擦生熱量Q發(fā)生變化,導(dǎo)致熱誤差補(bǔ)償精度下降甚至失效。在不改變熱誤差補(bǔ)償模型的情況下,通過預(yù)緊力主動(dòng)調(diào)控依然能夠使得模型補(bǔ)償精度恢復(fù)到原有水平。
預(yù)緊力是影響絲杠螺母副性能衰退和傳動(dòng)精度的重要因素,調(diào)控絲杠螺母副預(yù)緊力可以改善進(jìn)給軸精度保持性與穩(wěn)定性。基于1.1節(jié)中設(shè)計(jì)的預(yù)緊力主動(dòng)調(diào)控試驗(yàn)平臺總體架構(gòu),在功能、性能參數(shù)等方面對試驗(yàn)平臺總體設(shè)計(jì)提出了以下要求:
(1)進(jìn)給軸運(yùn)動(dòng)控制,其運(yùn)動(dòng)行程:0~600 mm;最大進(jìn)給速度:20 m/min;全行程定位精度:2 μm,重復(fù)定位精度:1.5 μm。
(2)配備T形工作臺,便于工件、測試儀器裝夾。
(3)配備光柵尺,實(shí)現(xiàn)進(jìn)給軸定位全閉環(huán)控制。
(4)具有實(shí)現(xiàn)預(yù)緊力的實(shí)時(shí)監(jiān)測和調(diào)控功能。
(5)配備數(shù)控系統(tǒng),配合補(bǔ)償裝置實(shí)現(xiàn)熱誤差實(shí)時(shí)補(bǔ)償。
(6)配備絲杠螺母副預(yù)緊力主動(dòng)調(diào)控系統(tǒng),具有多通道輸入輸出、PID控制、數(shù)據(jù)存儲等功能。
根據(jù)1.2節(jié)中的試驗(yàn)平臺功能要求,進(jìn)給軸絲杠螺母副預(yù)緊力主動(dòng)調(diào)控試驗(yàn)平臺硬件主要包括:數(shù)控系統(tǒng)、電氣系統(tǒng)、進(jìn)給系統(tǒng)、底座、床身及絲杠螺母副預(yù)緊力調(diào)控系統(tǒng)等,整體效果如圖2所示。
如圖2所示,試驗(yàn)平臺床身與底座連接,進(jìn)給系統(tǒng)安裝在床身上,數(shù)控系統(tǒng)與電氣系統(tǒng)安裝在一起,通過連接線控制進(jìn)給軸的運(yùn)動(dòng)。
進(jìn)給系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖3所示,在動(dòng)力設(shè)計(jì)方面,動(dòng)力源采用伺服電機(jī),通過聯(lián)軸器連接并驅(qū)動(dòng)滾珠絲杠,傳遞運(yùn)動(dòng)與轉(zhuǎn)矩。在運(yùn)動(dòng)方面,根據(jù)運(yùn)動(dòng)行程和進(jìn)給速度等設(shè)計(jì)要求選取滾珠絲杠,選用了南京工藝FFZD4012-3型號的滾珠絲杠,絲杠公稱直徑為40 mm,導(dǎo)程12 mm。滾珠絲杠兩側(cè)的軸承采用固定-支撐安裝方式,選用2組7206 BDB角接觸球軸承。
為絲杠螺母副設(shè)計(jì)了特殊結(jié)構(gòu),雙螺母中間安裝支撐套筒,采用促動(dòng)器和壓力傳感器組合實(shí)現(xiàn)預(yù)緊力的主動(dòng)調(diào)控。導(dǎo)軌安裝在床身上,為工作臺進(jìn)給運(yùn)動(dòng)提供支撐,工作臺與海德漢光柵尺連接實(shí)現(xiàn)了運(yùn)動(dòng)閉環(huán)控制。
為了實(shí)現(xiàn)絲杠螺母副預(yù)緊力的實(shí)時(shí)監(jiān)測與主動(dòng)控制功能,設(shè)計(jì)了特殊的絲杠螺母副結(jié)構(gòu),如圖4所示。
從外部來看,在雙螺母法蘭中間安裝了中心體支撐套筒,3個(gè)均勻分布的定位銷通過螺紋連接固定于左側(cè)螺母法蘭上,與支撐套筒中的孔形成配合。因此,支撐套筒相對于左側(cè)螺母只有1個(gè)軸向運(yùn)動(dòng)自由度,其軸向旋轉(zhuǎn)自由度被定位銷限制。兩塊半圓形墊片將左側(cè)螺母法蘭與支撐套筒隔絕開來,墊片上留有供絲杠、銷和促動(dòng)器穿過并且尺寸略大的孔。支撐套筒與右側(cè)螺母法蘭通過6個(gè)均勻分布的螺釘固定在一起,沒有相對運(yùn)動(dòng)自由度。
左側(cè)螺母法蘭通過6個(gè)螺栓與工作臺上的螺母座連接在一起,實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)與動(dòng)力傳遞。絲杠可以在套筒中穿過并自由轉(zhuǎn)動(dòng)。
從內(nèi)部來看,壓電陶瓷促動(dòng)器和壓力傳感器組合成為“監(jiān)測-執(zhí)行機(jī)構(gòu)”,共有3組監(jiān)測-執(zhí)行機(jī)構(gòu),均勻分布于雙螺母之間。在套筒內(nèi)為3組“監(jiān)測-執(zhí)行機(jī)構(gòu)”預(yù)留了空間與開口,允許工作人員在絲杠螺母副外部對其進(jìn)行調(diào)節(jié)與觀察。
“監(jiān)測-執(zhí)行機(jī)構(gòu)”如圖5所示,壓電陶瓷促動(dòng)器通過螺栓固定于左側(cè)螺母法蘭上,壓力傳感器固定于右側(cè)螺母法蘭。促動(dòng)器與傳感器之間分別通過螺紋連接柔性末端和力分布帽,兩連接件緊密接觸實(shí)現(xiàn)力的傳遞。
通過上述絲杠螺母副新結(jié)構(gòu),可以實(shí)現(xiàn)預(yù)緊力的主動(dòng)調(diào)控。其工作原理為:默認(rèn)結(jié)構(gòu)件連接沒有任何間隙,在促動(dòng)器伸長量為零時(shí),可以通過壓力傳感器測得絲杠螺母副內(nèi)原始預(yù)緊力。若給予促動(dòng)器一定電壓值,促動(dòng)器伸長一段距離,左、右螺母間距增加,這時(shí)壓力傳感器測值發(fā)生變化,預(yù)緊力增大。在這一過程中,通過改變促動(dòng)器輸入電壓值實(shí)現(xiàn)了絲杠螺母副預(yù)緊力的調(diào)控。
在“監(jiān)測-執(zhí)行機(jī)構(gòu)”中,壓電陶瓷促動(dòng)器作為執(zhí)行元件,提供了軸向的運(yùn)動(dòng)和靜態(tài)力。其工作原理為:壓電陶瓷受到激勵(lì)電壓后,產(chǎn)生軸向的變形與支撐力。壓電陶瓷本身是由多層壓電晶體堆疊形成,因此不能受到除了軸向力以外的力(例如切向力、扭矩等),否則會(huì)導(dǎo)致壓電陶瓷損壞。但是,在所設(shè)計(jì)的絲杠螺母副新結(jié)構(gòu)中,可能存在兩類危害壓電陶瓷的切向力,如圖6所示。一方面,受到安裝誤差的影響,壓電陶瓷受到的反作用力可能包含切向力。另一方面,螺母本身結(jié)構(gòu)特點(diǎn)注定了當(dāng)螺母發(fā)生軸向運(yùn)動(dòng)時(shí),絲杠滾道的導(dǎo)向作用將使螺母不可避免地產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的趨勢,會(huì)給“監(jiān)測-執(zhí)行機(jī)構(gòu)”帶來切向力。
為了避免安裝誤差產(chǎn)生的切向力影響“監(jiān)測-執(zhí)行機(jī)構(gòu)”的正常運(yùn)行,采用具有特殊結(jié)構(gòu)的力分布帽和柔性末端作為連接件,如圖7所示。力分布帽具有R15球形表面,能夠?qū)⒘κ噶烤酆显趬毫鞲衅鬏S線方向上,保證沒有徑向分力損壞傳感器。柔性末端具有橫、縱兩處剛度薄弱的結(jié)構(gòu),能夠?qū)⒑狭分解并通過形成彎矩吸收切向力,進(jìn)而保證傳感器只受到軸向力,達(dá)到保護(hù)壓電陶瓷的目的。
對于螺母旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)趨勢導(dǎo)致的切向力,除了圖7中的特殊連接件外,還使用半圓形墊片和定位銷等零件防止螺母旋轉(zhuǎn)的方式予以抑制。從圖4中可知,支撐套筒與右側(cè)螺母通過螺釘固定在一起,二者沒有相對運(yùn)動(dòng)。而左側(cè)螺母通過3個(gè)均勻分布的定位銷與支撐套筒連接,二者只能存在軸向相對運(yùn)動(dòng)。由于左側(cè)螺母法蘭固定于工作臺下方,是不會(huì)旋轉(zhuǎn)的。因此,這種結(jié)構(gòu)可以在很大程度上抑制右側(cè)螺母受到向外的支撐力時(shí)的轉(zhuǎn)動(dòng)趨勢。另外,兩塊對稱半圓形墊片放置在支撐套筒與左側(cè)螺母法蘭中間,一方面可以緩解右側(cè)螺母法蘭-支撐套筒組合體與左側(cè)法蘭間的轉(zhuǎn)動(dòng)趨勢。另一方面,配備不同厚度的墊片可以改變雙螺母內(nèi)的預(yù)緊力水平,方便開展對比研究。
從圖8中可以看出,左、右兩螺母間沒有直接連接。定位銷在防止切向力損壞壓電陶瓷的同時(shí),還為雙螺母預(yù)緊力的產(chǎn)生提供基礎(chǔ)??偟膩碚f,作為連接左、右螺母的橋梁,支撐套筒提供了容納多種零件、儀器的空間,為所設(shè)計(jì)的絲杠螺母副新結(jié)構(gòu)提供了支撐和基礎(chǔ)。
上述結(jié)構(gòu)可以使得“監(jiān)測-執(zhí)行機(jī)構(gòu)”所產(chǎn)生的預(yù)緊力平行于絲杠軸向,同時(shí)也應(yīng)將3組力保持力大小相同,這樣才能保證總預(yù)緊力在絲杠軸心線上。受到零件制造誤差和安裝誤差的影響,3組“監(jiān)測-執(zhí)行機(jī)構(gòu)”的受力狀態(tài)會(huì)有所不同,所能提供的支撐力大小也不相同。因此,當(dāng)3組支撐力相差較大時(shí),需要將柔性末端拆卸下來,對其上端受力面進(jìn)行手動(dòng)修配,以保證力的大小相當(dāng)。當(dāng)3組支撐力相差不大時(shí),可以通過在支撐套筒外部松緊柔性末端與壓電陶瓷促動(dòng)器間的螺紋連接微調(diào)“監(jiān)測-執(zhí)行機(jī)構(gòu)”所產(chǎn)生的支撐力。
所設(shè)計(jì)的“監(jiān)測-執(zhí)行機(jī)構(gòu)”原則上適用于任何形式的雙螺母滾珠絲杠副,采用兩個(gè)帶有法蘭盤的螺母是因?yàn)榉ㄌm盤在徑向擴(kuò)大了雙螺母間的空間,方便容納更多的零部件。支撐套筒整體為φ108 mm、長96 mm的圓柱,并為“監(jiān)測-執(zhí)行機(jī)構(gòu)”留有22 mm的空間。一組“監(jiān)測-執(zhí)行機(jī)構(gòu)”長度約96 mm,最寬處直徑20 mm。支撐套筒為絲杠留有φ44 mm中空,允許直徑40的絲杠穿過。但是,“監(jiān)測-執(zhí)行機(jī)構(gòu)”和支撐套筒的尺寸并不是固定不變的,在適配不同直徑的絲杠螺母副時(shí)可以對零件尺寸進(jìn)行相應(yīng)調(diào)整。
所采用的壓電陶瓷促動(dòng)器標(biāo)稱伸長范圍ΔL0=15 μm,可以承受最大推力FMAX=3 000 N,承受靜態(tài)大信號剛度KT=225 N/μm,動(dòng)態(tài)小信號剛度約為靜態(tài)剛度的30%。在實(shí)際情況下,整個(gè)絲杠螺母副形成彈簧系統(tǒng),如圖9所示。
在初始狀態(tài)時(shí),預(yù)緊力為3組支撐力之和:
(1)
其中:XSN0是絲杠螺母副初始拉伸量;X10是第1組“監(jiān)測-執(zhí)行機(jī)構(gòu)”的初始壓縮量。促動(dòng)器的伸長范圍受到連接件的影響而變小:
(2)
促動(dòng)器伸長量與輸入電壓的關(guān)系為:
(3)
當(dāng)促動(dòng)器伸長L時(shí),預(yù)緊力變?yōu)椋?/p>
(4)
其中:X為絲杠螺母副伸長量。3組“監(jiān)測-執(zhí)行機(jī)構(gòu)”的剛度、伸長量可以認(rèn)為大致相同。因此,可以通過式(1)~(4)求解未知數(shù)KS、X0和X。
則絲杠螺母副的預(yù)緊力調(diào)控范圍是:
式(5)的限制條件是促動(dòng)器伸長量小于伸長范圍和促動(dòng)器推力小于3 000 N。促動(dòng)器加載/卸載過程的預(yù)緊力變化如圖10所示:
根據(jù)圖10中的預(yù)緊力數(shù)據(jù)辨識方程組(1)~(5)中的未知數(shù)。
表1 預(yù)緊力相關(guān)辨識數(shù)據(jù)
所闡述的絲杠螺母副結(jié)構(gòu)正在申請專利“一種數(shù)控機(jī)床進(jìn)給軸精度自愈試驗(yàn)裝置及方法”。
絲杠螺母副預(yù)緊力主動(dòng)調(diào)控系統(tǒng)采集來自壓力傳感器的電信號,通過PID控制方式實(shí)時(shí)輸出促動(dòng)器的所需的電壓信號,完成閉環(huán)控制過程。根據(jù)試驗(yàn)平臺功能要求,開發(fā)多通道信號輸入輸出系統(tǒng)。如圖11所示。
壓力傳感器產(chǎn)生的電荷量信號經(jīng)過電荷放大器轉(zhuǎn)化為±10 V電壓模擬量,被輸入采集卡采集。輸出采集卡輸出0~10 V電壓信號,經(jīng)壓電放大器放大為原來的10倍,促動(dòng)器的伸長范圍為0~15 μm,且電壓與伸長量為近似線性關(guān)系。工業(yè)計(jì)算機(jī)根據(jù)輸入輸出電壓量,采用PID控制方法實(shí)現(xiàn)恒預(yù)緊力閉環(huán)調(diào)控,如圖12所示。
其中:Fr是預(yù)設(shè)恒定預(yù)緊力,N;Fc(t)是t時(shí)刻壓力傳感器實(shí)測預(yù)緊力,N;Fe(t)是t時(shí)刻預(yù)設(shè)值與實(shí)測值之差,N;U(t)是t時(shí)刻壓電陶瓷促動(dòng)器輸入電壓,V。
根據(jù)絲杠螺母副預(yù)緊力實(shí)時(shí)監(jiān)測與主動(dòng)控制的需求,基于LABVIEW開發(fā)了控制軟件,如圖13所示。該軟件具有多路采集、多路輸出、PID整定與控制和數(shù)據(jù)自動(dòng)存儲等功能。
將預(yù)緊力調(diào)控系統(tǒng)各個(gè)組件按照上述方式連接并進(jìn)行調(diào)試工作,完成了絲杠螺母副預(yù)緊力主動(dòng)調(diào)控試驗(yàn)平臺的搭建。為驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)裝置的功能,開展了預(yù)緊力調(diào)控實(shí)驗(yàn)。在機(jī)械坐標(biāo)0 mm處,設(shè)置目標(biāo)預(yù)緊力為150 N。則調(diào)控過程中促動(dòng)器輸入電壓和壓力傳感器示數(shù)變化為:
從圖14可知,試驗(yàn)臺將預(yù)緊力調(diào)整至目標(biāo)預(yù)緊力附近,波動(dòng)范圍約±2%。當(dāng)預(yù)緊力與目標(biāo)差距較大時(shí),平衡時(shí)間約1 s。結(jié)果表明,試驗(yàn)平臺實(shí)現(xiàn)了絲杠螺母副的預(yù)緊力自動(dòng)采集與主動(dòng)調(diào)控功能,為進(jìn)給軸精度保持性與穩(wěn)定性試驗(yàn)提供支撐。
在絲杠螺母副預(yù)緊力主動(dòng)調(diào)控試驗(yàn)平臺的搭建過程中,設(shè)計(jì)了基于“監(jiān)測-執(zhí)行機(jī)構(gòu)”絲杠螺母副特殊結(jié)構(gòu),開發(fā)了預(yù)緊力主動(dòng)調(diào)控硬件與基于LABVIEW的預(yù)緊力調(diào)控軟件,最終實(shí)現(xiàn)了絲杠螺母副預(yù)緊力實(shí)時(shí)監(jiān)測與主動(dòng)調(diào)控。該試驗(yàn)平臺為開展進(jìn)給軸精度保持性與穩(wěn)定性試驗(yàn)提供了基礎(chǔ),也對數(shù)控機(jī)床進(jìn)給軸精度設(shè)計(jì)具有重要借鑒意義。