CN116352605A - 一种基于刚柔耦合的高精度磨削误差补偿系统及控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种基于刚柔耦合的高精度磨削误差补偿系统及控制方法，包括：第一压电堆栈、第二压电堆栈、第一压电调节丝杆、第二压电调节丝杆、信号测量单元及控制系统；所述第一压电堆栈、第二压电堆栈相对刀杆对称安装，且与刀杆上的平面接触；所述第一压电调节丝杆用于调节第一压电堆栈与刀杆之间的初始接触力，第二压电调节丝杆用于调节第二压电堆栈与刀杆之间的初始接触力；在调节初始接触力之后所述信号测量单元采集第一压电堆栈、第二压电堆栈配合使用产生的不同的激振信号并传输给控制系统，所述控制系统控制所述第一压电堆栈、所述第二压电堆栈的工作状态以进行振动抑制。

Description

一种基于刚柔耦合的高精度磨削误差补偿系统及控制方法

技术领域

本发明属于超精密加工技术领域，尤其涉及一种基于刚柔耦合的高精度磨削误差补偿系统及控制方法。

背景技术

本部分的陈述仅仅是提供了与本发明相关的背景技术信息，不必然构成在先技术。

根据大型薄壁回转体零部件的超精密磨抛加工需求，磨床在磨削加工过程中由于机械振动、夹具间隙等因素的影响，导致磨削表面精度较差，难以满足超精密磨削加工精度需求，同时还有许多常见的刀具磨损，导致机床进给误差较大，也会大大影响工件表面的加工精度，这导致机床难以有效的控制刀具实际磨削力和磨削进给量。

目前现有磨削系统中加工效率低，砂轮在转动过程中由于振动、受热等因素导致与工件之间受力不均匀，长时间的受力不均匀容易影响工件表面的精度；现在技术的改进是将机床控制系统进行误差补偿，但是由于零部件加工产生的振动信息具有随机性，导致机床控制补偿系统也难以弥补非线性因素所造成的影响，难以提高加工精度。

发明内容

为克服上述现有技术的不足，本发明提供了一种基于刚柔耦合的高精度磨削误差补偿系统，系统结构设计合理，作业质量好，作业可靠，满足了高精度磨削误差补偿系统及控制系统的要求。

为实现上述目的，本发明的一个或多个实施例提供了如下技术方案：

第一方面，公开了一种基于刚柔耦合的高精度磨削误差补偿系统，包括：

第一压电堆栈、第二压电堆栈、第一压电调节丝杆、第二压电调节丝杆、信号测量单元及控制系统；

所述第一压电堆栈、第二压电堆栈相对刀杆对称安装，且与刀杆上的平面接触；

所述第一压电调节丝杆用于调节第一压电堆栈与刀杆之间的初始接触力，第二压电调节丝杆用于调节第二压电堆栈与刀杆之间的初始接触力；

在调节初始接触力之后所述信号测量单元采集第一压电堆栈、第二压电堆栈配合使用过程中产生的不同的激振信号并传输给控制系统，所述控制系统控制所述第一压电堆栈、所述第二压电堆栈的工作状态以进行振动抑制。

作为进一步的技术方案，还包括轴套，所述轴套固定在所述刀杆上，且轴套与刀杆轴肩位置对齐。

作为进一步的技术方案，所述第一压电堆栈通过压电端盖安装在轴套的其中一个安装孔内；利用第一调节螺母固定第一压电调节丝杆的位置。

作为进一步的技术方案，所述第二压电堆栈通过压电端盖安装在轴套的其中另一个安装孔内，利用第二调节螺母固定第二压电调节丝杆的位置。

作为进一步的技术方案，还包括传感器卡扣，所述信号测量单元为加速度传感器，所述传感器卡扣将加速度传感器安装在刀杆上，且与轴套端部对齐，将传感器保护垫安装在传感器卡扣内部，限制加速度传感器各个方向的自由度，用于采集加速度。

作为进一步的技术方案，还包括砂轮组合体结构，所述砂轮组合体结构包括夹紧结构及组合式砂轮模块，所述夹紧结构由砂轮内圈和砂轮外圈组成，所述组合式砂轮模块与砂轮外圈中的限位销轴配合在一起圆周分布在所述夹紧结构中。

作为进一步的技术方案，所述砂轮组合体结构还包括内部缓冲垫和外部缓冲垫；

所述内部缓冲垫和外部缓冲垫安装在组合式砂轮模块两侧的砂轮内圈和砂轮外圈中。

作为进一步的技术方案，所述砂轮组合体结构还包括多组弹簧定位销、压力补偿弹簧，多组弹簧定位销均匀安装在砂轮外圈芯轴位置；

压力补偿弹簧一端均匀安装在弹簧定位销上，另一端与组合式砂轮模块内部的定位空对齐安装，实现组合式砂轮模块根据磨削力的大小上下调整。

作为进一步的技术方案，还包括固定机构，所述固定机构包括紧固螺栓及防松垫圈，紧固螺栓与防松垫圈配合使用，将砂轮组合体结构固定在刀杆前端位置，确保砂轮组合体结构能够与刀杆紧固配合在一起，确保砂轮结构的稳定。

第二方面，公开了一种基于刚柔耦合的高精度磨削误差补偿方法，包括：

调节第一压电堆栈与刀杆之间的初始接触力，调节第二压电堆栈与刀杆之间的初始接触力；

在调节初始接触力之后所述信号测量单元采集第一压电堆栈、第二压电堆栈配合使用产生的不同的激振信号并传输给控制系统，所述控制系统控制所述第一压电堆栈、所述第二压电堆栈的工作状态以进行振动抑制。

以上一个或多个技术方案存在以下有益效果：

本发明解决现有技术中缺乏相应的振动抑制与应的刚柔耦合砂轮结构组合体的问题，不但可以实现振动抑制，还可以自动利用刚柔耦合结构完成磨削误差补偿，提高了磨削精度和生产效率。实现了对的大型薄壁回转体零部件的超精密磨削加工过程高精度磨削误差补偿目的。

本发明结构设计合理，作业质量好，作业可靠，通用化程度高，完全满足了大型薄壁回转体零部件的超精密磨削加工过程对高精度磨削误差补偿系统及控制方法的要求。

本发明附加方面的优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。

图1是本发明机械装配系统剖视图；

图2是本发明基于刚柔耦合补偿原理的变摩擦力砂轮机构图；

图中各标号：1-刀杆、2-轴套、3-防松螺母I、4-定位紧定螺丝、5-压电端盖I、6-压电调节丝杆I、7-调节螺母I、8-压电堆栈I、9-加速度传感器、10-传感器卡扣、11-传感器保护垫、12-压电端盖II、13-调节螺母II、14-压电调节丝杆II、15-压电堆栈II、16-紧固螺栓、17-砂轮内圈、18-组合式砂轮模块、19-内部缓冲垫、20-外部缓冲垫、21-压力补偿弹簧、22-弹簧定位销、23-防松垫圈、24-砂轮外圈、25-限位销轴。

具体实施方式

应该指出，以下详细说明都是示例性的，旨在对本发明提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。

在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

实施例一

如图1和图2所示，本实施例公开了一种基于刚柔耦合的高精度磨削误差补偿系统，包括刀杆1、轴套2、防松螺母I3、定位紧定螺丝4、压电端盖I5、压电调节丝杆I6、调节螺母I7、压电堆栈I8、加速度传感器9、传感器卡扣10、传感器保护垫11、压电端盖II12、调节螺母II13、压电调节丝杆II14、压电堆栈II15、紧固螺栓16、砂轮内圈17、组合式砂轮模块18、内部缓冲垫19、外部缓冲垫20、压力补偿弹簧21、弹簧定位销22、防松垫圈23、砂轮外圈24、限位销轴25。

本实施例子技术方案针对加工过程中工件加工随机产生的不同的振动信号，本申请通过产生不同的振动信号，与工件的振动频率相互消减，进而实现振动抑制。

在本实施例子中，轴套2通过防松螺母I3和定位紧定螺丝4固定在刀杆1上，且实现轴套2与刀杆1轴肩位置对齐，确保安装位置的准确性与同轴度。

上述压电堆栈I8通过压电端盖I5安装在轴套2的其中一个安装孔内，且要保证压电堆栈I8与刀杆1上的平面接触，同时通过压电调节丝杆I6调节压电堆栈I8与刀杆之间的接触力，并利用调节螺母I7固定压电调节丝杆I6的位置。通过初始预紧力的调节，确保调节压电堆栈I8能具有准确的输出力与位移。

压电堆栈II15通过压电端盖II12安装在轴套2的其中另一个安装孔内，且要保证压电堆栈II15与压电堆栈I8对称安装，便于开展对称的输出力或位移，有利于控制系统搭建，且与刀杆1上的平面接触，通过压电调节丝杆II14调节压电堆栈II15与刀杆之间的接触力，并利用调节螺母II13固定压电调节丝杆II14的位置。

其中，传感器卡扣10将加速度传感器9安装在刀杆1上，且与轴套2端部对齐，用于确保安装位置的准确性。另外，为了防止加速度传感器9损坏，将传感器保护垫11安装在传感器卡扣10内部，限制加速度传感器9各个方向的自由度，进而实现准确的采集工件加工过程中的工件本身的振动(加速度)信号。

具体的，4套组合式砂轮模块18与砂轮外圈24中的限位销轴25配合在一起圆周分布在砂轮内圈17和砂轮外圈24组成的夹紧结构中；内部缓冲垫19和外部缓冲垫20安装在4套组合式砂轮模块18两侧的砂轮内圈17和砂轮外圈24中，实现对砂轮缝隙的密封，避免磨削粉尘影响结构可靠性。

上述组合式砂轮模块18针对被加工工件表面不同的表面粗糙度，实现砂轮对微小误差磨削加工过程的补偿加工，具有自动补偿功能。

12组弹簧定位销22均匀安装在砂轮外圈24的芯轴位置；12组压力补偿弹簧21一端均匀安装在弹簧定位销22上，另一端与组合式砂轮模块18内部的定位空对齐安装，可以实现组合式砂轮模块18根据磨削力的大小上下调整。其中，压力补偿弹簧21会根据受到的径向力保持组合式砂轮模块18与工件加工表面的接触力。

紧固螺栓16与防松垫圈23配合使用，将砂轮组合体结构固定在刀杆1前端位置，确保砂轮结构能够与刀杆1紧固配合在一起，确保砂轮结构的稳定。

压电堆栈I8和压电堆栈II15配合使用，二者同时被控制产生高频振动，具体的，控制压电堆栈的输入电压信号，实现高频控制，通过产生不同的激振信号，抑制刀杆1在加工过程产生的振动，压电堆栈I8和压电堆栈II15在安装过程中，需要采用压电调节丝杆I6和压电调节丝杆II14调整好适当的初始压力，同时对其输入对应的电压信号，确保两个压电堆栈能够被准确控制，调整初始压力时可以采用力矩扳手调节。

加速度传感器9是一种高敏感性信息采集装置，其通过将振动信号采集后并传输给控制系统，控制系统结合加速度传感器9信号信息，控制压电堆栈I8和压电堆栈II15实现稳定振动抑制。具体的，控制系统需要判断振动信息，控制系统输出电压信号控制压电堆栈产生振动频率，实现对工件振动的消减。

传感器卡扣10可以根据工件及刀杆1结构参数，调整加速度传感器9的安装位置，并通过传感器保护垫11将其结构稳定的固定在刀杆1上，同时根据采集到的加速度信号，校正加速度传感器9信号参数。

砂轮内圈17和砂轮外圈24夹持住4套组合式砂轮模块18，可以实现组合式砂轮模块18在径向方向拥有-1.52～+1.52mm的运动空间，实现4套组合式砂轮模块18误差补偿功能。

压力补偿弹簧21的弹簧力确保组合式砂轮模块18与工件表面柔性接触状态，而不会因为不规则的表面粗糙度，实现位置补偿。

每个组合式砂轮模块18内部开有3个锥形孔与3个压力补偿弹簧21配合安装，所组成的刚柔耦合结构，可以确保组合式砂轮模块18能够根据自身所受到的磨削力改变结构位移，完成加工过程磨削误差补偿，实现4套组合式砂轮模块18误差补偿。其中，压电堆栈本身根据输入电压，线性输出对应位移。

内部缓冲垫19和外部缓冲垫20不但具有防尘缓冲和保护作用，而且还具有较好的耐高温性能。可以有效保护砂轮结构的工作可靠性。

本发明技术方案解决现有技术中由于缺乏相应的刚柔耦合砂轮结构，同时也缺乏相应的振动抑制控制方法，导致大型薄壁回转体零部件加工表面精度较低，且当前的加工系统只解决了简单的部分颤振问题，但未考虑不同磨削加工条件下的工件与夹具间隙误差导致的加工误差，刀杆较长振动与工件接触过程受力不均匀等问题。该系统结构设计合理，作业质量好，作业可靠，满足了高精度磨削误差补偿系统及控制系统的设计要求。

砂轮结构本身为一种柔性的误差补偿机构，不同条件下的加工误差这些都是通过前期的技术积累，将其算法集合到控制系统中实现多多工况，多种工件等不同条件下的加工误差补偿。

由于磨削力存在加工误差，因此磨削力是一种变量，，通过砂轮的柔性结构实现对误差的补偿功能，传统的固体结构的砂轮不存在补偿功能，本发明通过采集颤振信号，压电堆栈输出对应的振动信号与工件本身的振动频率相互抵消；将传统的刚性砂轮结构换成柔性可自动补偿结构的砂轮实现柔性磨削避免力不均匀的问题。

实施例二

本实施例的目的是提供一种基于刚柔耦合的高精度磨削误差补偿系统的控制方法，特别适合于大型薄壁回转体零部件的超精密磨抛加工，包括：

调整压电堆栈I和压电堆栈II与刀杆具有相同的接触力；

利用加速度传感器准确的采集刀杆的振动信息；

将振动信息及时反馈到控制系统，对压电堆栈I和压电堆栈II输出振动抑制信号；

将4套组合式砂轮模块与12组弹簧定位销均匀安装在砂轮外圈芯轴位置，实现组合式砂轮模块根据磨削力的大小上下调整，确保组合式砂轮模块可以与工件较好的接触，以提升磨削加工质量。

本发明实施例子的技术方案解决了现有技术中由于缺乏相应的振动抑制导致的刚柔耦合砂轮结构组合体的问题，不但可以实现振动抑制，还可以自动利用刚柔耦合结构完成磨削误差补偿，提高了磨削精度和生产效率，完全满足了大型薄壁回转体零部件的超精密磨削加工过程对高精度磨削误差补偿系统及控制方法的要求。

本发明装置的工作过程是：

该装置工作过程中，当对大型薄壁回转体零部件进行超精密磨削加工时，首先需要根据零部件的结构参数尺寸，选用合适的刀杆1，调整确定好轴套2安装位置，通过防松螺母I3和定位紧定螺丝4将轴套2进行固定，同时调整压电堆栈I8和压电堆栈II15与刀杆1之间的预紧力；

调整传感器卡扣10确定加速度传感器9的安装位置，加速度传感器9用于采集工件加工过程中产生的振动信号；

其次，开始工作，刀杆1和工件开始一起转动，并将本发明的刚柔耦合的高精度磨削误差补偿系统运动到指定的磨削位置，组合式砂轮模块18与工件表面接触，开始磨削，此时如果工件或者刀杆1出现较大振动，通过加速度传感器9采集刀杆1的振动信号，通过控制系统控制压电堆栈I8和压电堆栈II15开始工作，抑制刀杆1产生振动；

同时由于本发明所设计的砂轮结构是弹簧结构与刚性结构件的结合使用形成的结构，为一种刚柔耦合结构，压力补偿弹簧21自动调整组合式砂轮模块18与工件之间的接触力，受力大时压力补偿弹簧21被压缩，受力小压力补偿弹簧21推动组合式砂轮模块18保持与工件加工表面的接触磨削；

同时内部缓冲垫19和外部缓冲垫20可以避免磨削粉尘对组合式砂轮模块18运动间隙的影响，避免结构失效，确保本发明中基于刚柔耦合的高精度磨削误差补偿系统及控制方法可以更好的提高加工质量。

上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

Claims (10)

1.一种基于刚柔耦合的高精度磨削误差补偿系统，其特征是，包括：

第一压电堆栈、第二压电堆栈、第一压电调节丝杆、第二压电调节丝杆、信号测量单元及控制系统；

所述第一压电堆栈、第二压电堆栈相对刀杆对称安装，且与刀杆上的平面接触；

所述第一压电调节丝杆用于调节第一压电堆栈与刀杆之间的初始接触力，第二压电调节丝杆用于调节第二压电堆栈与刀杆之间的初始接触力；

在调节初始接触力之后所述信号测量单元采集第一压电堆栈、第二压电堆栈配合使用产生的不同的激振信号并传输给控制系统，所述控制系统控制所述第一压电堆栈、所述第二压电堆栈的工作状态以进行振动抑制。

2.如权利要求1所述的一种基于刚柔耦合的高精度磨削误差补偿系统，其特征是，还包括轴套，所述轴套固定在所述刀杆上，且轴套与刀杆轴肩位置对齐。

3.如权利要求1所述的一种基于刚柔耦合的高精度磨削误差补偿系统，其特征是，所述第一压电堆栈通过压电端盖安装在轴套的其中一个安装孔内；利用第一调节螺母用于固定第一压电调节丝杆的位置。

4.如权利要求1所述的一种基于刚柔耦合的高精度磨削误差补偿系统，其特征是，所述第二压电堆栈通过压电端盖安装在轴套的其中另一个安装孔内，利用第二调节螺母固定第二压电调节丝杆的位置。

5.如权利要求1所述的一种基于刚柔耦合的高精度磨削误差补偿系统，其特征是，还包括传感器卡扣，所述信号测量单元为加速度传感器，所述传感器卡扣将加速度传感器安装在刀杆上，且与轴套端部对齐，将传感器保护垫安装在传感器卡扣内部，限制加速度传感器各个方向的自由度，用于采集加速度。

6.如权利要求1所述的一种基于刚柔耦合的高精度磨削误差补偿系统，其特征是，还包括砂轮组合体结构，所述砂轮组合体结构包括夹紧结构及组合式砂轮模块，所述夹紧结构由砂轮内圈和砂轮外圈组成，所述组合式砂轮模块与砂轮外圈中的限位销轴配合在一起圆周分布在所述夹紧结构中。

7.如权利要求1所述的一种基于刚柔耦合的高精度磨削误差补偿系统，其特征是，所述砂轮组合体结构还包括内部缓冲垫和外部缓冲垫；

所述内部缓冲垫和外部缓冲垫安装在组合式砂轮模块两侧的砂轮内圈和砂轮外圈中。

8.如权利要求1所述的一种基于刚柔耦合的高精度磨削误差补偿系统，其特征是，所述砂轮组合体结构还包括多组弹簧定位销、压力补偿弹簧，多组弹簧定位销均匀安装在砂轮外圈芯轴位置；

压力补偿弹簧一端固定均匀安装在弹簧定位销上，另一端与组合式砂轮模块内部的定位空对齐安装，实现组合式砂轮模块根据磨削力的大小上下调整。

9.如权利要求1所述的一种基于刚柔耦合的高精度磨削误差补偿系统，其特征是，还包括固定机构，所述固定机构包括紧固螺栓及防松垫圈，紧固螺栓与防松垫圈配合使用，将砂轮组合体结构固定在刀杆前端位置，确保砂轮组合体结构能够与刀杆紧固配合在一起，确保砂轮结构的稳定。

10.一种基于刚柔耦合的高精度磨削误差补偿方法，其特征是，包括：

调节第一压电堆栈与刀杆之间的初始接触力，调节第二压电堆栈与刀杆之间的初始接触力；

在调节初始接触力之后所述信号测量单元采集第一压电堆栈、第二压电堆栈配合使用产生的不同的激振信号并传输给控制系统，所述控制系统控制所述第一压电堆栈、所述第二压电堆栈的工作状态以进行振动抑制。

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