CN106681274B - 一种介观尺度弹性薄壁件变形在线预测及补偿方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种介观尺度弹性薄壁件变形在线预测及补偿方法，属于机械加工领域，其包括机床转台、测力仪、驱动器、控制器、冷却器、支架、微细铣刀、红外热成像仪以及用于补偿径向浸入的调节机构，本发明可以在线实时监测加工薄壁件的变形情况，并通过调节机构控制丝杆与丝杠螺母副对支撑台进行实时的调节，消除由于工件变形引起的径向欠切进而提高加工精度和质量；本发明调节机构独立于机床控制系统，不会影响现有程序规划的刀具路径，这极大节约了编程效率，进而提高了生产效率。

Description

一种介观尺度弹性薄壁件变形在线预测及补偿方法
技术领域
本发明涉及机械加工领域，具体涉及一种介观尺度弹性薄壁件变形在线预测及补偿方法。
背景技术
目前弱刚度薄壁零件广泛应用于航空航天，塑料模具和微电子制造等领域。在加工薄壁件的过程中，铣削力和温度是引起的变形是重要原因，为了减少变形引起的误差，通常的做法是选择合理的加工条件，如低进给、小的径向或轴向切深和增加刀具齿数，但是这却增加了加工时间和以及加工费用。尽管高速切削的出现提升了加工薄壁件的能力，但是加工变形问题仍会出现在微机电系统的制造以及微细铣削过程中。为了提高弹性薄壁件的加工性能和避免颤振，近年来研究的热点主要聚集在加工过程的稳定性和动态性上，弱刚度薄壁件的静态变形主要集中在误差的量化，这些误差是利用直接测量或数值仿真得到的，当误差量化值被获取后，通过重新编程产生新的刀具路径离线修正误差。离线误差补偿不能对实时变形进行及时控制，同时误差的量化值主要利用模拟仿真计算得到，并通过后续程序补偿完成，补偿效果具有一定的滞后性，也不能对加工过程中其他因素(如刀具偏心、跳动等)引起的变形进行补偿，影响了加工的精度，不能有效保证加工质量。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种在线监测、实时调整、减小误差、提高加工效率且能有效提升加工质量的介观尺度弹性薄壁件变形在线预测及补偿方法。
为解决以上技术问题，本发明采用如下技术方案，步骤如下：
①搭建弹性薄壁件变形在线控制系统，并建立加工系统坐标系，标定切削力系数；
所述在线控制系统包括机床转台、测力仪、驱动器、控制器、冷却器、支架、微细铣刀、红外热成像仪以及用于补偿径向浸入的调节机构；所述测力仪设置在机床转台上方，所述调节机构设置在测力仪上方，所述支架设置在机床转台上方并与测力仪平行，所述红外热成像仪设置在支架上，所述测力仪输出端与控制器相连，所述红外热成像仪输出端与控制器相连，所述控制器输出端与驱动器输入端连接，所述驱动器输出端与调节机构相连；
所述调节机构包括：传感台、步进电机、丝杠、丝杠螺母副、第一支板、第二支板、薄壁件与支撑台，所述步进电机输入端与控制器相连，所述步进电机设置在传感台侧壁上并与丝杠相连，所述丝杠通过滚珠与丝杠螺母副相连，所述丝杠螺母副端部与支撑台侧壁连接，所述第一支板和第二支板平行设置在传感台上，所述支撑台设置在第一支板和第二支板上，所述薄壁件设置在支撑台上；所述微细铣刀通过刀柄设置在主轴上并与薄壁件接触，所述冷却器输入端与控制器输出端相连；所述薄壁件上端为薄壁状，壁厚为4mm，基底壁厚为60mm；以弹性薄壁件变形在线控制系统中的薄壁件为基准，建立工件-刀具顺铣系统，利用微细铣刀在薄壁件基底上铣槽，通过测力仪分别采集切削过程中X、Y和Z方向的力Fx、Fy和Fz，并求出平均和利用
标定出切削力系数kr、kt以及ka，式中Nt微细铣刀为刀齿数，ap为轴向切深，fz为每齿进给量；
②利用红外热成像仪进行温度判断，当温度低于133℃时，进行在线的顺铣切削力测量，并与刚性顺铣切削力进行对比；当温度高于133℃时，通过控制器发出指令至冷却器进行氮气冷却，直至顺铣温度低于133℃后，再进行在线的顺铣切削力测量，并与刚性顺铣切削力进行对比；
③根据加工系统坐标系构建工件刚性顺铣切削力模型，并依此模型计算标准切削力；
301在工件坐标系中，当径向切深ae小于轴向切深ap时，切削刃的滞后角度表达式为：
其中λs为微细铣刀的螺旋角，D为微细铣刀的直径；
302在考虑滞后角的微细顺铣力模型中，不同的刀齿位置通过切入角确定，确定基于刀具离散切削微元所对应的切入角度，则平均切削厚度为：
其中为第j个切削微元的刀具接触的位置角，为切入角，为切出角，实际顺铣切入角：
其中aea为实际的径向切削深度，R为微细铣刀的半径，为工件初始变形量；
303基于平均切削厚度确定切向、径向和轴向的微细顺铣切削力方程：
其中apa为实际轴向切削深度，
304将切向、径向和轴向微细顺铣切削力分别投影到X、Y、Z三个方向，得到工件刚性条件下的标准铣削力的表达式：
其中
④采用相同的工艺参数进行顺铣，将测力仪采集数值与步骤③中式(六)的计算值进行比对，并计算Y方向顺铣力的差值，通过步骤③中式(四)反求出径向补偿值ae'；
⑤径向补偿值ae'反馈到控制器中，控制器对驱动器发出指令，驱动器通过步进电机带动丝杠与丝杠螺母副完成变形补偿。
所述控制器型号为三菱PLC可编程控制器FX3U-64MR。
所述红外热成像仪平行于第一支板和第二支板设置在支架上。
本发明的积极效果如下：本发明可以在线实时监测加工薄壁件的变形情况，并通过调节机构控制丝杆与丝杠螺母副对支撑台进行实时的调节，消除由于工件变形引起的径向欠切进而提高加工精度和质量；本发明调节机构独立于机床控制系统，不会影响现有程序规划的刀具路径，这极大节约了编程效率，进而提高了生产效率；本发明调节机构水平端通过丝杠与丝杠螺母副保证水平刚度，在垂直端第一支板和第二支板发生微弱柔性变形，既能满足水平端的补偿进给又能保证垂直端的刚度支撑，更加便于补偿操作的进行；本发明对切削系数进行实时标定，排除了初始条件的差异性，使刚性薄壁件顺铣切削力的理论计算值更加精确，这为后续测力仪的实时反馈提供有力保证，使得径向补偿值更为可靠。
附图说明
图1为本发明弹性薄壁件变形在线预测结构示意图；
图2为本发明弹性薄壁件铣削几何示意图；
图3为本发明方法的步骤流程图；
图4为本发明刀具位置角处于切入角与切出角之间示意图；
图5为本发明刀具位置角处于切出角与切入角和滞后角总和之间示意图；
图6为本发明刀具位置角处于切出角与切出角和滞后角总和之间示意图；
图7为本发明传感台结构示意图；
1机床转台、2测力仪、3传感台、4薄壁件、5驱动器、6微细铣刀、7控制器、8冷却器、9红外热成像仪、10支架、11支撑台、12丝杠螺母副、13丝杠、14步进电机、15-1第一支板、15-2第二支板。
具体实施方式
下面结合附图和具体实例对本发明进行详细说明。
本发明所针对加工尺度为介观尺度，即加工精度要求介于纳米与毫米之间，其相对于宏观尺度的在线预测以及补偿要求更高，故通过搭建系统，标定切削力参数，进行相同工况下(相同主轴转速n,相同的每齿进给fz，轴向切深ap，径向切深ae)的微细顺铣切削力对比，依靠刚性薄壁件的理论模型作为标准参考值，通过实时采集切削力数据(主要参考Y方向切削力)用来实时调整径向浸入值，从而完成在线预测以及补偿的需求。
如图1、2、3、4、5、6、7所示，①搭建弹性薄壁件变形在线控制系统，并建立加工系统坐标系，标定切削力系数；
所述在线控制系统包括机床转台1、测力仪2、驱动器5、控制器7、冷却器8、支架10、微细铣刀6、红外热成像仪9以及用于补偿径向浸入的调节机构；所述测力仪2设置在机床转台1上方，所述调节机构设置在测力仪2上方，所述支架10设置在机床转台1上方并与测力仪2平行，所述红外热成像仪9设置在支架10上，所述测力仪2输出端与控制器7相连，所述红外热成像仪9输出端与控制器7相连，所述控制器7输出端与驱动器5输入端连接，所述驱动器5输出端与调节机构相连；
所述调节机构包括：传感台3、步进电机14、丝杠13、丝杠螺母副12、第一支板15-1、第二支板15-2、薄壁件4与支撑台11，所述步进电机14输入端与控制器7相连，所述步进电机14设置在传感台3侧壁上并与丝杠13相连，所述丝杠13通过滚珠与丝杠螺母副12相连，所述丝杠螺母副12端部与支撑台11侧壁连接，所述第一支板15-1和第二支板15-2平行设置在传感台3上，所述支撑台11设置在第一支板15-1和第二支板15-2上，所述薄壁件4设置在支撑台11上；所述微细铣刀6通过刀柄设置在主轴上并与薄壁件4接触，所述冷却器8输入端与控制器7输出端相连；所述薄壁件4上端为薄壁状，壁厚为4mm，基底壁厚为60mm；以弹性薄壁件变形在线控制系统中的薄壁件4为基准，建立工件-刀具顺铣系统，利用微细铣刀6在薄壁件4基底上铣槽，通过测力仪2分别采集切削过程中X、Y和Z方向的力Fx、Fy和Fz，并求出平均和利用
标定出切削力系数kr、kt以及ka，式中Nt微细铣刀6为刀齿数，ap为轴向切深，fz为每齿进给量；
②利用红外热成像仪9进行温度判断，当温度低于133℃时，进行在线的顺铣切削力测量，并与刚性顺铣切削力进行对比；当温度高于133℃时，通过控制器7发出指令至冷却器8进行氮气冷却，直至顺铣温度低于133℃后，再进行在线的顺铣切削力测量，并与刚性顺铣切削力进行对比；
③根据加工系统坐标系构建工件刚性顺铣切削力模型，并依此模型计算标准切削力；
301在工件坐标系中，当径向切深ae小于轴向切深ap时，切削刃的滞后角度表达式为：
其中λs为微细铣刀6的螺旋角，D为微细铣刀6的直径；
302在考虑滞后角的微细顺铣力模型中，不同的刀齿位置通过切入角确定，确定基于刀具离散切削微元所对应的切入角度，则平均切削厚度为：
其中为第j个切削微元的刀具接触的位置角，为切入角，为切出角，实际顺铣切入角：
其中aea为实际的径向切削深度，R为微细铣刀6的半径，为工件初始变形量，由激光位移传感器测得，激光位移传感器为初始标定仪器，在测量时将红外热成像仪9从支架10取下，将激光位移传感器放置于支架10上进行测量，得到精确的过程参数，为后续切削力的计算提供保证；
303基于平均切削厚度确定切向、径向和轴向的微细顺铣切削力方程：
其中apa为实际轴向切削深度，
304将切向、径向和轴向微细顺铣切削力分别投影到X、Y、Z三个方向，得到工件刚性条件下的标准铣削力的表达式：
其中
④采用相同的工艺参数进行顺铣，将测力仪2采集数值与步骤③中式(六)的计算值进行比对，并计算Y方向顺铣力的差值，通过步骤③中式(四)反求出径向补偿值ae'；
⑤径向补偿值ae'反馈到控制器7中，控制器7对驱动器5发出指令，驱动器5通过步进电机14带动丝杠13与丝杠螺母副12完成变形补偿，所述控制器7型号为三菱PLC可编程控制器FX3U-64MR，所述红外热成像仪9平行于第一支板15-1和第二支板15-2设置在支架10上。
以上所述实施方式仅为本发明的优选实施例，而并非本发明可行实施的穷举。对于本领域一般技术人员而言，在不背离本发明原理和精神的前提下对其所作出的任何显而易见的改动，都应当被认为包含在本发明的权利要求保护范围之内。

Claims (3)

1.一种介观尺度弹性薄壁件变形在线预测及补偿方法，其特征在于步骤如下：
①搭建弹性薄壁件变形在线控制系统，并建立加工系统坐标系，标定切削力系数；
所述在线控制系统包括机床转台(1)、测力仪(2)、驱动器(5)、控制器(7)、冷却器(8)、支架(10)、微细铣刀(6)、红外热成像仪(9)以及用于补偿径向浸入的调节机构；所述测力仪(2)设置在机床转台(1)上方，所述调节机构设置在测力仪(2)上方，所述支架(10)设置在机床转台(1)上方并与测力仪(2)平行，所述红外热成像仪(9)设置在支架(10)上，所述测力仪(2)输出端与控制器(7)相连，所述红外热成像仪(9)输出端与控制器(7)相连，所述控制器(7)输出端与驱动器(5)输入端连接，所述驱动器(5)输出端与调节机构相连；
所述调节机构包括：传感台(3)、步进电机(14)、丝杠(13)、丝杠螺母副(12)、第一支板(15-1)、第二支板(15-2)、薄壁件(4)与支撑台(11)，所述步进电机(14)输入端与控制器(7)相连，所述步进电机(14)设置在传感台(3)侧壁上并与丝杠(13)相连，所述丝杠(13)通过滚珠与丝杠螺母副(12)相连，所述丝杠螺母副(12)端部与支撑台(11)侧壁连接，所述第一支板(15-1)和第二支板(15-2)平行设置在传感台(3)上，所述支撑台(11)设置在第一支板(15-1)和第二支板(15-2)上，所述薄壁件(4)设置在支撑台(11)上；所述微细铣刀(6)通过刀柄设置在主轴上并与薄壁件(4)接触，所述冷却器(8)输入端与控制器(7)输出端相连；所述薄壁件(4)上端为薄壁状，壁厚为4mm，基底壁厚为60mm；以弹性薄壁件变形在线控制系统中的薄壁件(4)为基准，建立工件-刀具顺铣系统，利用微细铣刀(6)在薄壁件(4)基底上铣槽，通过测力仪(2)分别采集切削过程中X、Y和Z方向的力Fx、Fy和Fz，并求出平均和利用
标定出切削力系数kr、kt以及ka，式中Nt微细铣刀(6)为刀齿数，ap为轴向切深，fz为每齿进给量；
②利用红外热成像仪(9)进行温度判断，当温度低于133℃时，进行在线的顺铣切削力测量，并与刚性顺铣切削力进行对比；当温度高于133℃时，通过控制器(7)发出指令至冷却器(8)进行氮气冷却，直至顺铣温度低于133℃后，再进行在线的顺铣切削力测量，并与刚性顺铣切削力进行对比；
③根据加工系统坐标系构建工件刚性顺铣切削力模型，并依此模型计算标准切削力；
301在工件坐标系中，当径向切深ae小于轴向切深ap时，切削刃的滞后角度表达式为：
其中λs为微细铣刀(6)的螺旋角，D为微细铣刀(6)的直径；
302在考虑滞后角的微细顺铣力模型中，不同的刀齿位置通过切入角确定，确定基于刀具离散切削微元所对应的切入角度，则平均切削厚度为：
其中为第j个切削微元的刀具接触的位置角，为切入角，为切出角，实际顺铣切入角：
其中aea为实际的径向切削深度，R为微细铣刀(6)的半径，为工件初始变形量；
303基于平均切削厚度确定切向、径向和轴向的微细顺铣切削力方程：
其中apa为实际轴向切削深度，
304将切向、径向和轴向微细顺铣切削力分别投影到X、Y、Z三个方向，得到工件刚性条件下的标准铣削力的表达式：
其中
④采用相同的工艺参数进行顺铣，将测力仪(2)采集数值与步骤③中式(六)的计算值进行比对，并计算Y方向顺铣力的差值，通过步骤③中式(四)反求出径向补偿值ae'；
⑤径向补偿值ae'反馈到控制器(7)中，控制器(7)对驱动器(5)发出指令，驱动器(5)通过步进电机(14)带动丝杠(13)与丝杠螺母副(12)完成变形补偿。
2.根据权利要求1所述的一种介观尺度弹性薄壁件变形在线预测及补偿方法，其特征在于：所述控制器(7)型号为三菱PLC可编程控制器FX3U-64MR。
3.根据权利要求1或2所述的一种介观尺度弹性薄壁件变形在线预测及补偿方法，其特征在于：所述红外热成像仪(9)平行于第一支板(15-1)和第二支板(15-2)设置在支架(10)上。
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