高精度轴类零件加工误差补偿技术研究

于阳

（中山市中等专业学校，广东 中山 528458）

1 微动刀架

1.1 设计要求

机床的几何精度主要取决于两个方向，分别是非误差敏感方向、误差敏感方向。由于机床几何精度较高，所以只需要补偿误差敏感方向几何精度，换言之，要想确保生产零件具有较好的精度，需要补偿Z轴X向以及X轴B角。如果新机床误差值在4.91μm左右，且大直径轴类零件误差定位为5μm，则刀架补偿行程应是9μm。刀架刚度不仅要符合切削精度的需求，还应符合频响需求。首先，在切削精度方面，如果基于超声振动的环境，刀架切削力为1N，形变最大值应小于0.1μm，表明刀架刚度值应在9N/μm以上；其次，在固有频率方面，刀架固有频率需要介于超声振频与机床振频之间，假设机床振频是2kHz，超声振频是19kHz，则刀架的一阶频响应在2kHz以上，而六阶频响最大值不能超过19kHz。

1.2 微进给驱动

微进给机构以微进给驱动为核心，微进给驱动对该机构性能有着较大影响，还会影响该机构的性能参数。因此，要想确保微进给刀架符合设计要求，必须选择适宜的微进给驱动。选取压电陶瓷充当微进给驱动，可以确保刀架具有良好的频响、刚度以及精度，本文以压电陶瓷为例。该压电陶瓷的具体参数见表1。

1.3 导向机构

压电陶瓷在生产输入位移信号过程中，需要一个导向结构对信号进行定向输出，该机构必须具有较高分辨率、良好线性度以及高精度等优点，这样才能确保微进给具有快、准、稳特性。常见的导向结构有四个，分别为滚动导轨、气浮导轨、滑动导轨、柔性支持。滚动导轨稳定性能较差，易引发振荡；气浮导轨位移缓慢，也极易引发振荡；滑动导轨位移缓慢，经过摩擦会产生大量热能，在很大程度上制约了精度；柔性支撑位移较快、高分辨率，可以实现无间隙传动。本文以柔性支撑为微进给结构。

表1 压电陶瓷的具体参数

2 微动刀架的控制系统

2.1 压电陶瓷所具备的特性

首先，迟滞性。压电陶瓷是一种铁电体，其居里温度要小于室温，内部电场稳定性较差，易受到外界电场的影响，由此衍生位移输出，即逆压电效应，应变公式：，s表示应变，E表示电场强度，d表示电压常数，m表示电致的伸缩系数。压电陶瓷的组分是晶格，晶格会随着电场变化而变化，在变化过程中，由于内在阻力的作用，会引发迟滞现象。其次，蠕变性。经过加压处理后，压电陶瓷的压值还会具有一定的波动情况，需要一定的时间，才能逐渐趋于稳定，主要原因是基于外在电场的作用，晶格会产生内摩擦力，导致压电陶瓷无法瞬间极化。由此可见，其具有蠕变性。

2.2 控制方案

首先，迟滞性控制方案。可以选择开环控制手段，构建一个相应模型，这样不仅可以对压电陶瓷的迟滞性进行实时控制，还可以确保控制精度。现阶段，已有6种控制模型，一是多项式拟合，这种模型是拟合迟滞模型的小环与大环，具有较好的精度，计算具有一定的快捷性，较适宜在线计算；二是Dahl，这种模型具有繁多的参数，很难对其进行有效控制；三是Duhem，该模型难以实施逆控制；四是Bouc-Wen，该模型可以对迟滞现象进行准确描述，不过要想确保其设计参数具有准确性，必须掌握初始值，因此，其准确值会受到初始参数准确率的制约；五是Maxwell，相较其他模型而言，在阶数相同的情况下，该模型具有良好的控制精度，但其控制单元系数具有较强的复杂性，难以明确控制算法；六是，该模型采用双重积分进行计算，解析式具有较强的复杂性，且计算过程繁多，不符合在线计算要求，该模型通过等效作用，可以把迟滞模型转换为多个无质量、且带阻尼的滑块弹簧系统，从而促使单元数量得以提升。多项拟合具有实时控制的效能，符合在线计算要求。优于拟合对象为单一象限的环，难以保证精度，因此，本文利用该模型拟合全象限大环。拟合模型如图1。

图1 全象限大环拟合模型

3 在位检测以及补偿系统分析

3.1 直径误差

本文以相对测量法对轴类零件直径误差进行检测，在位检测装置需要具有良好的重复性精度。在车床三爪卡盘上固定住工件，移动量具的两侧边框，将其置于工件上部，对中V型面，然后将两侧旋钮旋紧，确保其具有良好的稳定性。粗调旋钮是处于粘合状态，因此，无法对其进行粗调，生产人员可以对带有棘轮的旋钮进行微调，该旋钮属于精调旋钮，旋钮发出特定声响时，便停止测量。完成数据记录作业后，旋回精调旋钮，然后再进行测量，多次反复后，对首次测量值与反复测量值进行偏差计算，偏差最大值便是测量精度。经过实验，测量最大偏差为 0.15µm ，由此可知，直径测量的重复测量精度是0.15µm ，符合轴类零件加工的精度测量要求。

3.2 微动补偿刀架

（2）模态。选择激振测频法进行模态实验，基于固有频率的实验原理，对实验仪器进行连接，力锤的差异导致锤头激励信号也具有一定的差异性。因此，实验人员应结合上述模拟结果，对力锤锤头进行合理选择，然后顺着一阶频响的振动方向粘贴加速传感器，并用力捶对微动刀架进行轻敲。这时测试仪便会根据微动刀架的频响确定其振型，然后将PZT装置于刀架上，并施加一定的预紧力。重复上述作业内容，便可以确定刀架的固有频率。在预紧前期对刀架的固有频率进行测定，值为1480Hz，经过预警后测定，值为1820Hz。由此可见，刀架频率介于机床共振率与超声振频率之间，符合轴类零件的加工需求。

（3）精度定位。利用激光干涉仪检测刀架的精度定位，实验仪器全部连接完毕后，对其进行预热处理，预热时长控制在30分钟左右，然后利用上位机控制微动刀架，为精度定位的间隔值，并记录检测数据。通过分析检测数据可知，精度定位的误差值为，行程是，符合轴类零件的加工需求。

（4）动态响应的特性。在对实验仪器进行连接以及预热处理后，将压电陶瓷的电源频率调至最小，然后加载正弦激励信号，直到电源频率升至最大值，利用型号为的传感器对位移信号进行输出处理，数据采集卡会收集输出信号，并记录其对应的各个频率的幅值，通过分析幅值可知，压电陶瓷所输入的信号呈现为半波正弦形态，输出位移信号并不具有良好的稳定性，不利于系统稳定。此时可以逐渐加大正弦波的输入频率，但最大频率值应在200Hz以内，这时可发现微动刀架幅值具有良好的稳定性，即使激励信号高达200Hz，其所输出的位移信号仍具有良好的真实性以及精确性，符合轴类零件加工需求。

4 结语

本文通过建模实验，测定了微动刀架的精度定位、动态响应、行程、固有频率、刚度，并分析了在位检测装置精度定位的重复性能，确定了基于微动刀架而设计的补偿系统以及在位检测装置可以确保轴类零件实现高精度加工与生产。