CN104690646B - 一种精密磨削复合控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于机械方法类，具体是一种精密磨削复合控制方法，其特征在于：采用静压导轨支撑砂轮主轴单元，直线伺服电机推动砂轮主轴单元沿静压导轨滑动方向作进退运动；采用静压轴承支撑被加工零件，力矩伺服电机带动被加工零件绕静压轴承回转中心作旋转运动；将直线伺服电机及直线位置传感器与直线伺服驱动器连接，将力矩伺服电机及角度位置传感器与力矩伺服驱动器连接，直线伺服驱动器和力矩伺服驱动器与精密磨削控制器连接，设置一磨削力观测单元，磨削力观测单元的输入接口分别与直线伺服驱动器、力矩伺服驱动器连接，磨削力观测单元的输出接口与精密磨削控制器连接。本发明科学合理，对砂轮状态变化及零件不同材料特性的适应性好，能一次性完成精密轮廓和高质量表面的复合加工目标。
Description
技术领域
本发明属于机械方法类，具体是一种针对较难加工材料的精密磨削复合控制方法。
背景技术
精密磨削是机械制造领域的重要加工方法之一，被广泛用于处理精密零件，进而获得高精度尺寸、轮廓和光滑表面。然而近年来，新材料与先进功能部件的发展使得超硬合金、硬脆性、高塑性等难加工材料在精密磨削应用中的比例越来越高，精密磨削装备越来越难通过单机一次性满足轮廓精度与表面质量的综合指标要求，进而导致生产中普遍采用精密磨削与研磨抛光分段串联的制造流程。造成该局面的原因在于传统精密磨削装备在轮廓创成与表面光整加工方面所采用技术路线存在根本性差异：轮廓创成方面，主流方案是通过高刚性驱动结构、精确定位控制和高硬度磨削工具确保轮廓及尺寸加工精度，如闭式液体静压导轨、直驱电机伺服系统、铸铁结合剂砂轮等；而为了抑制损伤，表面光整加工过程多运用柔性驱动机构和柔性磨削工具，如精细调压气动执行机构、半固着磨料砂轮等。
上述精密磨削与研磨抛光分段制造流程不仅影响较难加工零件的磨削效率，被加工零件在设备间的转移过程还阻碍加工效果的进一步提升。针对超硬合金、硬脆性、高塑性等较难加工零件，目前还缺少一种高效复合的精密磨削方法。
发明内容
本发明针对现有技术的不足，提供一种科学合理、控制方便，并能一次性实现精密轮廓创成与表面光整加工的精密磨削复合控制方法。
本发明的技术方案如下：
一种精密磨削复合控制方法，其特征在于：采用静压导轨支撑砂轮主轴单元，直线伺服电机推动砂轮主轴单元沿静压导轨滑动方向作进退运动；采用静压轴承支撑被加工零件，力矩伺服电机带动被加工零件绕静压轴承回转中心作旋转运动；将直线伺服电机及直线位置传感器与直线伺服驱动器连接，将力矩伺服电机及角度位置传感器与力矩伺服驱动器连接，直线伺服驱动器和力矩伺服驱动器与精密磨削控制器连接，设置一磨削力观测单元，磨削力观测单元的输入接口分别与直线伺服驱动器、力矩伺服驱动器连接，磨削力观测单元的输出接口与精密磨削控制器连接。
本发明磨削开始前，精密磨削控制器根据待加工零件的初始轮廓及砂轮半径计算初始磨削路径，根据待加工零件的目标轮廓及砂轮半径计算目标磨削路径，根据砂轮特性和零件材料类型设置最佳磨削力区间以及标准进给速率，然后将实际进给速率设为零并控制直线伺服驱动器和力矩伺服驱动器执行单圈初始磨削路径，期间砂轮与被加工零件保持临界非接触状态，磨削力观测单元检测零件每个转角位置的直线伺服电机和力矩伺服电机电流信号，根据电磁力常数计算电磁力信号，并记录作为该转角位置处参考信号。
本发明在正式磨削时，精密磨削控制器先将实际进给速率设为标准进给速率并控制直线伺服驱动器和力矩伺服驱动器连续执行初始磨削路径。期间，磨削力观测单元持续计算直线伺服电机和力矩伺服电机的电磁力信号，并分别与已记录的零件相同转角位置处参考信号相减得到法向、切向磨削力信号；精密磨削控制器将磨削力信号与已设置的最佳磨削力区间进行比较，根据偏差负反馈原则(即磨削力在正方向超出设置区间则调低实际进给速率，反之则调高实际进给速率)实时调整实际进给速率，同时对被加工零件每个转角位置的实际进给速率进行积分获得该转角位置的累计进给量。当被加工零件任意转角位置上累计进给量到达目标磨削路径时，精密磨削控制器将该转角位置的实际进给速率置为零，当被加工零件每个转角位置的累计进给量均到达目标磨削路径时，精密磨削控制器停止本次磨削过程。
本发明中的偏差负反馈调整在整个磨削过程中循环执行(偏差负反馈原则适用于常见的比例、比例-积分、比例-积分-微分、模糊算法等)。
本发明中的精密磨削控制器通过判断被加工零件每个转角位置上的累计进给量，确保磨削过程停止时砂轮在被加工零件的每个转角位置均达到目标磨削路径，避免实际进给速率实时调整导致轮廓加工误差。
本发明通过采集磨削过程的伺服电机电磁力信号并与参考信号相减获得砂轮磨削力信号，进而对磨削力实施负反馈控制，确保砂轮锋利程度变化、零件材料特性不一致等不利因素影响下，磨削力始终保持处于设置的最佳区间，避免被加工零件表面发生烧伤、崩裂、挤压划痕等现象。本发明静压导轨阻力小，直线伺服电机与力矩伺服电机采用直接驱动式，科学合理，对砂轮状态变化及零件不同材料特性的适应性好，能一次性完成精密轮廓和高质量表面的复合加工目标。
附图说明
图1为本发明示意图。
具体实施方式
如图1所示，一种精密磨削复合控制方法，其特征在于：在底座1上装有静压导轨2和静压轴承6。静压导轨2上装有直线伺服电机3及直线位置传感器4，直线伺服电机3与砂轮主轴单元5连接，直线伺服电机3和直线位置传感器4与直线伺服驱动器10连接；静压轴承6中装有力矩伺服电机7及角度位置传感器8，力矩伺服电机7与被加工零件9连接，力矩伺服电机7和角度位置传感器8与力矩伺服驱动器11连接；精密磨削控制器12与直线伺服驱动器10、力矩伺服驱动器11连接，直线伺服驱动器10、力矩伺服驱动器11与磨削力观测单元13连接，磨削力观测单元13与精密磨削控制器12连接。
本发明精密磨削控制器12控制直线伺服驱动器10和力矩伺服驱动器11分别驱动直线伺服电机3和力矩伺服电机7，继而带动砂轮主轴单元5沿静压导轨2滑动方向直线移动、带动被加工零件9绕静压轴承6回转中心转动；直线伺服电机3和力矩伺服电机7的位置分别通过直线位置传感器4、角度位置传感器8反馈至直线伺服驱动器10和力矩伺服驱动器11；磨削力观测单元13从直线伺服驱动器10和力矩伺服驱动器11分别获取直线伺服电机3和力矩伺服电机7的位置及电磁力信号。
本发明在正式加工前，精密磨削控制器12先计算初始磨削路径和目标磨削路径、设置最佳磨削力区间和标准进给速率，然后令实际进给速率为零，通过直线伺服驱动器10和力矩伺服驱动器11执行单圈初始磨削路径，期间磨削力观测单元13采集并记录被加工零件9每个转角位置的直线伺服电机3和力矩伺服电机7电磁力信号并将其作为各自机构的机械摩擦与加减速合力参考信号。
本发明磨削过程中，精密磨削控制器12先将实际进给速率设为标准进给速率并控制直线伺服驱动器10和力矩伺服驱动器11连续执行初始磨削路径；期间磨削力观测单元13持续采集直线伺服电机3和力矩伺服电机7的电磁力信号，并与分别与已记录的零件相同转角位置处参考信号相减得到法向和切向磨削力信号；精密磨削控制器12将磨削力信号与最佳区间相比较，根据偏差负反馈原则实时调整实际进给速率，同时对被加工零件9每个转角位置的实际进给速率进行积分获得该转角位置的累计进给量；当被加工零件9任意转角位置上的累计进给量到达目标磨削路径时，精密磨削控制器12将该转角位置的实际进给速率置为零，当被加工零件9每个转角位置上的累计进给量均到达目标磨削路径时，精密磨削控制器12停止本次磨削过程。
本发明中的初始磨削路径指的是被加工零件9连续旋转一圈过程中，被加工零件9每个转角位置上，其初始轮廓与砂轮轮廓按几何相切关系确定的直线伺服电机3直线位置与力矩伺服电机7角度位置间的相对关系；目标磨削路径指的是被加工零件9连续旋转一圈过程中，被加工零件9每个转角位置上，其目标轮廓与砂轮轮廓按几何相切关系确定的直线伺服电机3直线位置与力矩伺服电机7角度位置间的相对关系。
本发明中的进给是指砂轮从初始磨削路径收敛到目标磨削路径所需的相对逼近，该逼近直接导致砂轮从被加工零件9的初始轮廓逐步切入并最终到达其目标轮廓；进给是附加在初始磨削路径上的独立分量，精密磨削控制器12在磨削过程中合并执行初始磨削路径与进给运动，磨削过程停止时，被加工零件9每个转角位置上的累计进给量均等于该位置初始磨削路径与目标磨削路径的差值。
本发明也适用于三轴及更多轴联动方式的磨削装置。
Claims (2)
1.一种精密磨削复合控制方法，其特征在于：采用静压导轨支撑砂轮主轴单元，直线伺服电机推动砂轮主轴单元沿静压导轨滑动方向作进退运动，采用静压轴承支撑被加工零件，力矩伺服电机带动被加工零件绕静压轴承回转中心作旋转运动，将直线伺服电机及直线位置传感器与直线伺服驱动器连接，将力矩伺服电机及角度位置传感器与力矩伺服驱动器连接，直线伺服驱动器和力矩伺服驱动器与精密磨削控制器连接，设置一磨削力观测单元，磨削力观测单元的输入接口分别与直线伺服驱动器、力矩伺服驱动器连接，磨削力观测单元的输出接口与精密磨削控制器连接；磨削开始前，精密磨削控制器根据待加工零件的初始轮廓及砂轮半径计算初始磨削路径，根据待加工零件的目标轮廓及砂轮半径计算目标磨削路径，根据砂轮特性和零件材料类型设置最佳磨削力区间以及标准进给速率，然后将实际进给速率设为零并控制直线伺服驱动器和力矩伺服驱动器执行单圈初始磨削路径，期间砂轮与被加工零件保持临界非接触状态，磨削力观测单元检测零件每个转角位置的直线伺服电机和力矩伺服电机电流信号，根据电磁力常数计算电磁力信号，并记录作为该转角位置处参考信号；正式磨削时，精密磨削控制器先将实际进给速率设为标准进给速率并控制直线伺服驱动器和力矩伺服驱动器连续执行初始磨削路径，期间，磨削力观测单元持续计算直线伺服电机和力矩伺服电机的电磁力信号，并分别与已记录的零件相同转角位置处参考信号相减得到法向、切向磨削力信号，精密磨削控制器将磨削力信号与已设置的最佳磨削力区间进行比较，根据偏差负反馈原则实时调整实际进给速率，同时对被加工零件每个转角位置的实际进给速率进行积分获得该转角位置的累计进给量，当被加工零件任意转角位置上累计进给量到达目标磨削路径时，精密磨削控制器将该转角位置的实际进给速率置为零，当被加工零件每个转角位置的累计进给量均到达目标磨削路径时，精密磨削控制器停止本次磨削过程。
2.根据权利要求1所述的精密磨削复合控制方法，其特征在于：偏差负反馈原则在整个磨削过程中循环执行。
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