CN101337330A - 提高数控车床加工精度的补偿方法及磁致伸缩补偿机构 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种提高数控车床加工精度的补偿方法及磁致伸缩补偿机构，通过复合进给对数控车床进行精度补偿的方法和模块化精度补偿机构，该方法针对车床由于制造、磨损等多种因素形成的几何误差，由双频激光干涉仪进行全行程范围内的进给误差测量，该误差信号预处理后经功率放大驱动模块化补偿机构产生相应的位移补偿量，配合车床的宏量位移进给进行微位移进给，校正车床精度。叠加以高频振动信号作为驱动电压驱动补偿机构进行振动切削，可有效抑制切削时由摩擦产生的颤振现象，提高加工精度。弹性微位移机构末端安装LVDT型电感式位移传感器作位置反馈调节，再通过DSP芯片中的实时控制运算形成闭环控制实现精密定位。

Description

提高数控车床加工精度的补偿方法及磁致伸缩补偿机构

技术领域

本发明专利涉及一种通过复合进给提高机床加工精度的方法和模块化误差补偿装置，具体的说，是涉及一种通过超磁致伸缩执行器产生微位移补偿和振动切削对机床误差进行补偿并提高机床加工精度的方法和装置。

背景技术

在精密和超精密加工技术的研究和发展过程中，精密和超精密机床起着决定性的作用。传统的超精密机床的精度主要是靠机床的基准元件的精度达到的，然而，依靠继续提高超精密机床部件的精度来提高加工精度已十分困难，而且一些加工中产生的误差很难消除。因此，可以采用微量进给机构实现刀具的精确微小位移，并在加工过程中对加工误差做出相应补偿。

从机床加工误差源的角度考虑，提高精度主要有误差防止法和误差(精度)补偿法。误差防止法是试图通过机床的设计和制造途径消除或减少可能的误差源。误差补偿法是人为地造出一种新的误差去抵消当前成为问题的原始误差。误差防止法虽能减少原始误差，但靠提高机床制作精度来满足精度要求有很大的局限性，即使可能，经济上的代价往往是很昂贵的。而误差补偿法是一种既有效又经济(每台补偿实施成本仅为机床价格的5～10％)的提高机床精度手段，通过误差补偿技术可在精度不很高的机床上加工出高精度零件。误差补偿技术不但可用于新造机床以提高其技术含量，也适合于已有机床的改造以避免花巨资购买高精度机床。

机床加工精度在线检测是一门涉及光、电、机械、计算机等多学科的复杂技术，是加工测量一体化技术的重要组成部分，是保证工件加工精度的重要环节，也是当前急需开发研究的难题。

目前，纳米、埃米级超精密定位系统的致动元件大多使用压电陶瓷材料，其输出功率低，且必须采取有效措施防止冲击力和高驱动电压造成的短路等问题。超磁致伸缩驱动元件输出位移是电致伸缩致动器的数十倍，且可低阻抗运行。此外，稀土超磁致伸缩材料具有磁致伸缩应变大、磁-机耦合系数高、能量密度高等优点，已经在微位移驱动方面展现出广阔的应用前景。磁致伸缩材料所固有的磁滞非线性也随着控制理论的发展不断得到改善，但它的磁滞依然难以控制，极大的限制了机床加工精度的提高，所以很难在实际中应用。

而且机床的刀具在进行切屑加工时，刀具会因刀具表面与工件表面相互作用而产生摩擦，这种摩擦力的存在，使得刀具在进给时不仅具有直线的位移，而且产生了垂直方向的振动，这也使得刀具的进给误差无法线性化和规律化，也是精度难以控制和提高的另一个重要因素。

现也有一种超声加工技术(USM，Ultrasonic Machining)，它是利用超声振动的工具在有磨料的液体介质中或干磨料中，产生磨料的冲击、抛磨、液压冲击及由此产生的气蚀作用来去除材料，以及利用超声振动使工件表面产生物理变化而相互结合的加工方法。早期的超声加工主要依靠工具作超声频(20000Hz以上)振动，使悬浮液中的磨料获得冲击能量，从而去除工件材料达到加工目的，这种超声波加工技术不仅成本高，价格昂贵，而且它的作用机理也不适于在机床上使用。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是针对上述现有技术的不足，而提供一种同时施加振动信号的通过复合进给提高数控机床的加工精度的补偿方法和磁致伸缩补偿机构。

为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：一种提高数控车床加工精度的补偿方法，包括以下步骤：

步骤一、采用双频激光干涉仪测取车床刀具全行程范围内的进给误差；

步骤二、将上述步骤一中的进给误差信号做平滑、去噪处理，同时施加一频率为50～100Hz、振幅为1～3μm的振动信号，并将该振动信号与处理后的进给误差信号叠加，后输入数字信号处理芯片(DSP)；

步骤三、将输入数字信号处理芯片的叠加信号转换成电信号并经功率放大后，输出给磁致伸缩补偿机构，由磁致伸缩补偿机构完成位移补偿和振动补偿切屑。

还包括：步骤四、在磁致伸缩补偿机构上设置位移传感器，并测取磁致伸缩补偿机构的误差信号，经平滑、去噪和滤除振动信号后输入到数字信号处理芯片；

步骤五、数字信号处理芯片根据磁致伸缩补偿机构的误差信号对全行程范围内的进给误差进行修正，并将修正后的误差信号转换成电信号并经功率放大后，输出给磁致伸缩补偿机构。

本发明数控车床加工精度的补偿方法，采用施加的一振动信号，并将该振动信号与车床进给误差信号相叠加后转换为电信号输出给磁致伸缩补偿机构完成位移补偿和振动补偿切削，在完成位移补偿的同时，通过振动补偿很好的抑制了刀具在切削时自身产生的颤振，从而使得位移补偿线性化。

与现有技术相比，本发明具有如下优点；

1、通过测量精度达纳米级的激光干涉仪对不同的机床作标定测量，处理后可得相应的进给误差(信号)，驱动模块化精度补偿机构工作即可作相应的离线位移补偿，克服了加工精度在线检测技术复杂的困难；

2、本发明采用位移补偿和振动补偿的复合进给补偿对机床的加工精度进行补偿，是在研究其加工机理的基础上，采取科学的技术手段，在原有补偿方法的基础上，简单的施加一频率为50～100Hz、振幅为1～3μm的振动信号即可，在提高加工精度的同时，且无需增加很多成本和设备。

3、本发明在磁致伸缩补偿机构的上安装有一位移传感器，并通过该位移传感器对刀具的位移信号进行反馈给数字信号处理芯片，通过处理单元的反馈处理，形成闭环精密运动控制，从而一步一步消除磁致伸缩补偿机构的磁滞特性对补偿机构的补偿精度所产生的影响，使磁致伸缩补偿机构在实际中应用和普及。

一种磁致伸缩补偿机构，包括基座以及设置在基座上的超磁致伸缩棒、线圈、输出顶杆、微位移机构，在微位移机构上设置有刀架以及刀具，所述的超磁致伸缩棒设置在线圈内，所述的输出顶杆的一端与超磁致伸缩棒的一端连接，输出顶杆的另一端与微位移机构固定连接用于驱动微位移机构上的刀具，在所述的微位移机构的末端还设置有一位移传感器。

在所述的磁致伸缩棒与输出顶杆之间还设置有一用于调节磁致伸缩棒预紧力的碟簧。

所述的位移传感器为LVDT(线性可变差动变压器型)电感式位移传感器。

在所述的基座前端还设置有冷空气进口，该冷空气进口正对线圈内。

在所述的微位移机构的内部设置有变形槽。

与现有技术相比，本发明磁致伸缩补偿机构具有如下优点：

1、本发明在磁致伸缩补偿机构上安装电感式位移传感器，通过该传感器将传感器检测的位移信号对磁致伸缩补偿机构的进给误差信号进行修正，从而提高了微位移进给的补偿精度；

2、本发明磁致伸缩补偿机构在磁致伸缩棒与输出顶杆之间还设置有一碟簧，并通过调节预紧螺钉对超磁致伸缩棒施加可调节大小的预紧力，防止超磁致伸缩棒在工作中被拉断，并可以大幅提高超磁致伸缩驱动器的能量转换效率。

3、本发明在微位移机构的内部设置有变形槽，变形槽成为受力时的变形空间，从而通过受力后的弹性变形实现微位移，因此仅存在弹性材料内部分子之间的内摩擦，没有间隙，具有很高的位移分辨率，工作稳定可靠，精度重复性好。

4、利用空气压缩机将冷却空气通入线圈腔内进行循环冷却，以消除或抑制温度变化对GMM热变形的负面影响。

5、本发明的精度补偿机构体积小巧、结构紧凑、使用方便，将DSP芯片嵌入机构中，可作为机床的通用精度校准模块。

附图说明

图1是本发明的精度补偿方法流程图；

图2是测取的行程误差信号以及平滑去噪后的信号波形图；

图3是本发明的补偿机构内部俯视图；

图4是本发明的气管接头、预紧螺钉连接处局部剖视图；

图5是本发明的碟簧及输出顶杆连接处剖视图；

图6是本发明的弹性微位移机构部件剖视图；

图7是本发明机构的装配三维视图。

附图3～6编号对应部件名称：

1-气管接头，2-连接件，3-M6内六角螺钉，4-线圈5-基座，6-磁致伸缩棒，7-碟簧，8-顶杆，9-弹性微位移机构，91-变形槽，10-微动刀架，11-M8内六角螺钉，12-车刀，13-气管(接冷却空气)，14-漆包线(接驱动电压)，15-预紧螺钉，16-导磁片，17-通气孔，18-LVDT型电感式位移传感器，19-永磁体，20-衬套，21-工件。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明做详细说明：

一种通过复合进给对数控车床进行精度补偿的方法，该方法的主要原理是，针对机床加工精度在线检测技术困难，由双频激光干涉仪测取机床全行程范围内的进给误差，通过模块化磁致伸缩补偿机构的离线位移补偿，配合数控车床的宏量位移进给进行微位移进给；在误差补偿信号上同时叠加以固定频率的小幅振动信号驱动补偿器进行振动切削时，可有效抑制机床切削时的颤振现象，提高工件加工精度，由DSP芯片完成误差及高频振动信号的存储以及传感器反馈信号的运算控制。

如图1所示为本发明的精度补偿方法流程图，

1、误差曲线测取：通过激光干涉仪测量机床全行程的进给误差，机床的误差在一定周期内为特定曲线，可多次测量获得误差信号，作平滑去噪处理；

2、高频振动信号叠加：在处理后的补偿误差信号上叠加幅值的固定高频振动信号存入DSP芯片的片上存储器，振动信号的频率为50～100Hz、振幅为1～3μm的振动信号；

3、微位移驱动：存储信号经D/A(数/模)转换，功率放大后通入线圈驱动磁致伸缩补偿机构产生补偿位移和切削振动；

4、位移反馈：通过对微小位移分辨率较好的LVDT型电感式位移传感器测得补偿机构的刀架末端位移信号，去噪、低通滤除高频振动信号再经A/D转换后反馈至DSP芯片；

5、控制运算：由DSP芯片将反馈位移信号与输入电压信号进行比较调节得到输入输出偏差信号，从而提高微位移进给的精度。

如图2所示，双频激光干涉仪测取车床的进给误差信号，经平滑去噪处理后得到平稳信号。

如图3和图4所示，基座5为盒状，将导磁片16、磁致伸缩棒6置于线圈骨架4内，然后将四对组合碟簧7嵌套于顶杆8上，顶杆8与线圈骨架4连接后置于基座5盒内，通过基座5与线圈骨架14上的螺纹孔定位装配，由预紧螺钉15调节磁致伸缩棒6所受的预紧力。气管接头1通过带有内外螺纹的连接件2与基座5密封连接，工作时，冷却空气由气管接头1处通入经通气孔17进入线圈骨架14腔内进行循环冷却。

如图5所示，碟簧7是带有锥面的环状预紧弹簧，具有预加的压应力应与棒轴严格平行，均衡分布，且占用空间较小等优点。碟簧7内径应略大于输出顶杆8的外径，嵌套于输出顶杆8外侧，采用8只碟形弹簧对合的方式组合成一套预紧弹簧，以增大预紧形变量。在磁致伸缩棒6的另一端采用预紧螺钉15旋转来施加合适的预应力。永磁体19放置在磁致伸缩棒6与输出顶杆8之间，其作用是使磁致伸缩棒6在偏置磁场作用下发挥更好的性能。

如图6所示弹性微位移机构9的示意图，在微位移机构9内部加工有变形槽91，顶杆8在预紧螺钉15的作用下与弹性微位移机构9无隙接触，驱动电压14使磁致伸缩棒6伸长时，弹性微位移机构9发生形变并带动与其以M8内六角螺钉11连接的微动刀架10进行微位移切削，此时碟簧7被压缩；驱动电压14变小时，碟簧7的弹性力作用下，弹性微位移机构9恢复原始形状，在其末端安装的LVDT型电感式位移传感器18将位移变化量反馈至DSP形成闭环控制。

如图7所示，将模块化补偿机构的基座5外伸部分夹紧于车床切削方向溜板的夹具上，进行车削加工。基座5上下盖由M6内六角螺钉3与基座5壳体封装。

Claims (7)

1、一种提高数控车床加工精度的补偿方法，其特征在于：包括以下步骤，

步骤一、测取车床刀具全行程范围内的进给误差；

步骤二、将上述步骤一中的进给误差信号做平滑、去噪处理，同时施加一频率为50～100Hz，振幅为1～3μm的振动信号，并将该振动信号与处理后的进给误差信号叠加，后输入数字信号处理芯片；

步骤三、将输入数字信号处理芯片的叠加信号转换成电信号并经功率放大后，输出给磁致伸缩补偿机构，由磁致伸缩补偿机构完成位移补偿和振动补偿切屑。

2、根据权利要求1所述的提高数控车床加工精度的补偿方法，其特征在于：还包括：步骤四、在磁致伸缩补偿机构上设置位移传感器，并测取磁致伸缩补偿机构的误差信号，经平滑、去噪和滤除振动信号后输入到数字信号处理芯片；

步骤五、数字信号处理芯片根据磁致伸缩补偿机构的误差信号对全行程范围内的进给误差进行修正，并将修正后的误差信号转换成电信号并经功率放大后，输出给磁致伸缩补偿机构。

3、一种用于权利要求1所述的数控车床提高加工精度的补偿方法的磁致伸缩补偿机构，包括基座(5)以及设置在基座(5)上的超磁致伸缩棒(6)、线圈(4)、输出顶杆(8)、微位移机构(9)，在微位移机构(9)上设置有刀架(10)以及刀具(12)，所述的超磁致伸缩棒(6)设置在线圈(4)内，所述的输出顶杆(8)的一端与超磁致伸缩棒(6)的一端连接，输出顶杆(8)的另一端与微位移机构(9)固定连接用于驱动微位移机构(9)上的刀具，其特征在于：在所述的微位移机构(9)的末端还设置有一位移传感器(18)。

4、根据权利要求3所述的提高数控车床加工精度的补偿方法的磁致伸缩补偿机构，其特征在于：在所述的磁致伸缩棒(6)与输出顶杆(8)之间还设置有施加预紧力的碟簧(7)，磁致伸缩棒(6)另一端安装有调节预紧力的预紧调节螺钉(15)。

5、根据权利要求3所述的提高数控车床加工精度的补偿方法的磁致伸缩补偿机构，其特征在于：所述的位移传感器(18)为线性可变差动变压器型电感式位移传感器。

6、根据权利要求3所述的提高数控车床加工精度的补偿方法的磁致伸缩补偿机构，其特征在于：在所述的基座(5)前端还设置有冷空气进口(13)，该冷空气进口(13)正对线圈(4)内。

7、根据权利要求3所述的提高数控车床加工精度的补偿方法的磁致伸缩补偿机构，其特征在于：在所述的微位移机构(9)的内部设置有变形槽(91)。

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