CN1166496C - 镗削尺寸误差预测补偿控制方法及其装置 - Google Patents

Abstract

镗削尺寸误差预测补偿控制方法，首先依次测量T+1个已加工工件的孔径尺寸Yi；再计算其后的第n个待加工工件的尺寸估计D(n)；计算已加工工件尺寸Y₀，Y₁，Y₂，……，Y_T的加权平均值Z_(n)；参照尺寸控制目标值，根据上述尺寸估计D(n)，对刀具进行调整。其装置包括自动测量装置、控制系统和补偿镗头，补偿镗头主要包括弹性镗杆、主轴、拉杆、主电机、补偿驱动电机、丝杆螺母副和导向杆，主电机通过传动装置与主轴相连，弹性镗杆与主轴固定连接，补偿驱动电机通过联轴节与丝杆螺母副中的丝杆相连，并将回转运动转换为螺母的轴向移动，螺母与螺母套相连，并通过它与导向杆及套杯固定连接，套杯内设有滚动轴承，该芯轴与主轴中的拉杆相连，拉杆与弹性镗杆内的拉杆相连。

Description

镗削尺寸误差预测补偿控制方法及其装置

技术领域

本发明属于镗削加工技术领域，具体地说，它涉及一种镗削尺寸误差预测补偿控制方法及其装置。

背景技术

在镗孔加工中，尤其是在自动生产线上进行大批大量镗孔加工时，由于刀具磨损与调整、机床磨损及其它工艺条件变化等确定或不确定因素的存在，极大地影响了镗孔加工的质量、效率及可靠性。精镗孔尺寸误差自动补偿单元需要解决的两个关键问题包括：误差预测方法和补偿镗削动力头(简称补偿镗头)，前者确定了误差预测的模型及其控制策略，后者则是刀具切削及补偿运动的执行机构。

关于误差预测控制方法，阳含和教授利用Wiener滤波对尺寸误差预测问题作了深入的探讨(见“金属切削工艺过程初探”，《西安交通大学学报》，1978.1)，外圆磨削实验表明，其加工尺寸精度提高了30％。并且他在此工作基础上，通过引入最优预测理论使得误差预测模型更趋优化。内圆磨削实验表明，其加工精度提高了50％以上，不仅系统误差几乎全部得到补偿，而且随机误差也部分得到补偿。后来，李培根教授在镗孔的尺寸误差预测中首先引入了Kalman滤波(见“精镗尺寸自动控制问题”，《华中工学院学报》，1982.12，127：127～135)，该方法中的一个显著特点在于误差预测仅需要前一步的测量信息，大大地减小了在线计算的工作量。

需要说明的是，上述实验工作主要针对磨削或车削加工，其主要原因之一在于作为刀具补偿机构的砂轮架或车床刀架只需作直线运动，而无须作回转运动，使得补偿运动(砂轮架或车床刀架的微量进给运动)容易实现。此外，在上述误差模型中，模型的参数为常量，而非时变量，它们与加工工艺条件密切相关，一般表现为与加工系统输出观测值(如被加工工件直径的测量值)的统计量密切相关。尤其是如果工艺条件不稳定或发生变化，模型却不能自适应和自调节，这也成为它们未能在工程实际中获得应用的重要障碍之一。

作为镗削尺寸误差预测补偿控制装置中的关键部件一补偿镗头，其主要补偿性能指标有：最小进给量(分辨率)、重复定位精度、线性、最大进给范围。目前国内外所研制的补偿装置各种各样，从产生微量位移的方式来看，可将它们分为两大类：第一类是利用一些特殊机构来产生微量位移，如偏心式和斜盘式。第二类是利用刀杆或刀夹的弹性变形来产生微量位移，如差动螺纹式，弹性刀夹式。相对而言，第一类补偿方式的机械传递环节较多，存在误差的可能性就大，因而在精密补偿中的应用受到限制。刀杆弹性变形分刀杆轴线相对主轴轴线倾斜(如差动螺纹式)和平移(如平行四边形机构)两种，其显著的特点是主轴与刀杆之间为弹性联接。这种弹性联接产生的问题是：为避免在切削中产生动态振动，就必须在联接时注意提高其刚性，因而产生进给运动的驱动力就相应地增大。另外，由于前者相对于后者的机械传动环节较多，因而在避免爬行以及产生最小单位补偿量方面来看，后者有更好的应用前景，但其弹性变形由电信号/压力油驱动，使得其可控性和动态响应速度不足。弹性刀夹一般是采用斜块推动刀夹产生弹性变形，从而实现刀尖的径向补偿。由于是刀夹的弹性变形，因此，不仅补偿线性较好，而且所需的驱动力相对于刀杆变形要小得多，这对于减小整个传动环节的不必要变形是有好处的。从产生斜块轴向运动的方式来看，可以分为压电晶体及步进电机--螺母丝杆副两种方式。对于前者，它的变形是单向的，因此不能产生负向进给及让刀动作，加之本身的变形线性较差，因而其应用受到限制。而后者不仅能克服前者的上述缺陷，而且还具有优良的控制性能，因而在实际中获得了广泛的应用，不过由于受到弹性刀夹设计空间的限制，当加工对象的孔径较小或者加工对象为同轴阶梯孔时，其应用受到限制。另一个需要注意问题在于，当需要一次加工同轴孔时，则需要刀杆的平移变形。综合而言，现有的补偿镗头的研究与开发存在的主要问题是：

其一精度指标不足，制约了相关技术的研究与发展。就目前此类装置的技术水平而言，由于受原理和方法的限制，镗刀的微量进给精度只能达到微米级，且微量变形的驱动机构不可避免地存在间隙以及弹性变形，不能实现交替正负方向(甚至于连续单向)的微米级微量进给，使得此类装置仅实用于间断进给，如镗削的尺寸误差补偿方面-加工一个零件后在非切削状态下调刀，而不能用于切削过程中的连续进给-镗削两轴联动(刀具的微量进给运动和镗头的进给运动)加工，如镗削形状误差的补偿及异形孔的加工，考虑到加工要求(尤其是表面质量)，有些微量进给的性能指标至少要高出一个数量级，如最小补偿量应达到亚微米级，且有相应的驱动的动态响应，此外，由刀具进给引起的切削系统的动不平衡问题也应引起足够的重视。

其二 可靠性不高，妨碍了在工程实际中的广泛采用。目前此类装置在我国工程实际中的应用主要在尺寸误差的补偿方面，且基本上都是引进的技术，故障率高是一个普遍现象，究其原因，机械传动的磨损及工业现场的污染是其主要原因之一。

发明内容

本发明的目的在于提供在于提供一种镗削孔径尺寸误差预测补偿控制方法，该控制方法可对镗削加工孔径尺寸进行预测估计，并具有良好的自适应和自调节，本发明还提供了其实现装置，该装置中的补偿镗头克服了现有技术的缺陷，具有较高的精度和可靠性。

为了实现上述发明目的，一种镗削尺寸误差预测补偿控制方法，依次包括下述步骤：

(1)依次测量T+1个已加工工件的孔径尺寸Y_i(i＝0，1，2，……，T)；

(2)计算其后的第n个待加工工件(即第T+n+1个工件)的尺寸估计D(n)，n＝1，2，3，……；

计算已加工工件尺寸Y₀，Y₁，Y₂，……，Y_T的加权平均值Z_(n)，作为对第T+n+1个工件的尺寸估计D(n)，即D(n)＝Z_(n)

$Z\left(n\right)=\underset{i=0}{\overset{T}{\mathrm{\Σ}}}{Y}_i{H}_i---\left(1\right)$

$H_i=\frac{1}{1+T}+\frac{12(n+\frac{T}{2})(\frac{T}{2}-i)}{T(T+1)(T+2)}i=\mathrm{0,1}\·\·\·T---\left(2\right)$

式中H_i为加权系数；

(3)参照尺寸控制目标值，根据尺寸估计D(n)，并由一个控制系统所发出的控制指令使一个补偿驱动电机动作，以实现对一个补偿镗头刀刃位置的调整控制。

当n＝1时，步骤2为：

(2.1)对镗削加工过程作统计分析，分别计算初始调刀均方差σ_A ²、加工均方差σ_j ²、测量均方差σ_N ²、每加工一个工件的刀具平均磨损量ΔD，且设定初始调刀的尺寸D₀(一般为加工尺寸控制目标值)；

(2.2)设当前已加工工件的孔径测量值为Y(k)，则下一个待加工工件的孔径尺寸估计D＝X(k+1|k)，k＝0，1，……，递推计算公式为：

$K\left(k\right)=\frac{P\left(k\right|k-1)}{P\left(k\right|k-1)+{\mathrm{\σ}}_N^2}---\left(3\right)$

$P(k+1|k)=\frac{{\mathrm{\σ}}_N^{2}P\left(k\right|k+1)}{{\mathrm{\σ}}_N^2+P\left(k\right|k-1)}+{\mathrm{\σ}}_j^2---\left(4\right)$

X(k+1|k)＝X(k|k-1)-ΔD+K(k)(Y(k)-X(k|k-1))    (5)

式中K(k)为最优增益系数，P(k|k-1)为预测误差协方差数，X(k+1|k)为基于第k个已加工工件对下一个待加工工件尺寸的预测值，递推计算公式的初始条件为：

P(0|0_)＝σ_A ²  (6)

X(0|0_)＝D₀    (7)

实现上述镗削尺寸误差预测补偿控制方法的装置，包括自动测量装置、控制系统和补偿镗头，所述自动测量装置用于测量工件的尺寸，并与所述控制系统相连，该控制系统与所述补偿镗头相连，其特征在于：所述补偿镗头主要包括弹性镗杆、主轴、拉杆、主电机、补偿驱动电机、丝杆螺母副和导向杆，主电机通过传动装置与主轴相连，弹性镗杆与主轴固定连接，补偿驱动电机通过联轴节与丝杆螺母副中的丝杆相连，并将回转运动转换为螺母的轴向移动，螺母与螺母套相连，并通过它与导向杆及套杯固定连接，套杯内设有滚动轴承，用于支撑芯轴，该芯轴与主轴中的拉杆相连，拉杆与弹性镗杆内的拉杆相连。

本发明的工作原理为：自动测量装置将采集到的被加工件尺寸(直径值)信息输入到控制系统，控制系统根据所建立的尺寸(直径)误差预测模型对待加工工件的尺寸误差进行自动预测，并控制带有可自动调刀功能(刀具微量补偿)的补偿镗头对刀具进行自动调整，从而保证被加工工件尺寸的一致性及加工的效率和可靠性。本发明与现有技术相比具有下列优点和积极效果：误差预测模型具有很好的预溅精度，预测速度快，刀具的补偿及重复定位精度高，补偿范围大，线性好，切削用量大，由于刀杆可整体径向平移，使得可一次实现多把刀片的等量补偿(调刀)，适用于同轴阶梯孔的加工；本发明与在线自动孔径测量装置配合使用，可形成一个全闭环的自动化镗削加工系统，不仅可以自动地消除刀具正常磨损阶段对加工质量的影响，而且可以显著地减小加工系统的随机误差，极大地提高自动生产线上镗孔加工的质量、效率和可靠性，并具有在线计算机辅助质量管理功能。其主要技术指标如下表所示：

指标名称	技术指标
		最小补偿量	＜0.5um
补偿范围(直径)	0.4mm
		刀具重复定位精度	1um
线性	优
		切削深度	0.5mm
切削速度	120-180mm/min

总之，本发明通过对加工尺寸误差的在线自动检测，借助有关的控制理论对过程建模，据此在线预报加工误差，为镗孔加工过程提供附加输入，从而达到尺寸误差控制的目的，可显著提高(自动生产线上)镗孔加工的质量、效率及可靠性。适用于在自动生产线上进行自动化镗孔(精)加工，并具有工序计算机辅助质量管理功能。

附图说明

图1为本发明镗削尺寸误差预测补偿控制装置的结构示意图；

图2为图1中补偿镗头的结构示意图。

图3为图2中弹性镗杆的一个具体实施方式结构示意图；

图4为图3中弹性变形体的一个具体实施方式的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详细的说明。

如图1所示，本发明装置由依次相连的自动测量装置220、控制系统250和补偿镗头240构成。

自动测量装置220用于测量工件230的尺寸，并与控制系统250相连。自动测量装置220可以采用本领域现有的自动测量装置进行，如测量头和测量仪。

控制系统250可以由工控机、PLC及其软件模块组成，当自动测量装置220依次测量T+1个已加工工件的孔径尺寸Y_i(i＝0，1，2，……，T)后，

$Z\left(n\right)=\underset{i=0}{\overset{T}{\mathrm{\Σ}}}{Y}_i{H}_i---\left(1\right)$

$H_i=\frac{1}{1+T}+\frac{12(n+\frac{T}{2})(\frac{T}{2}-i)}{T(T+1)(T+2)}i=\mathrm{0,1}\·\·\·T---\left(2\right)$

控制系统计算已加工工件尺寸Y₀，Y₁，Y₂，……，Y_T的加权平均值Z_(n)，作为对第T+n+1个工件的尺寸估计D(n)，即D(n)＝Z_(n)，(n＝1，2，……)式中H_i为加权系数；

当只需要预测下一个待加工工件孔径尺寸的预测值时，也可以采用下述方式进行，即：

首先对镗削加工过程作统计分析，分别计算初始调刀均方差σ_A ²、加工均方差σ_j ²、测量均方差σ_N ²、每加工一个工件的刀具平均磨损量ΔD，且设定初始调刀的尺寸D₀(一般为加工尺寸控制目标值)；

其次设当前已加工工件的孔径测量值为Y(k)，则下一个待加工工件的孔径尺寸估计D(1)＝X(k+1|k)，k＝0，1，……，递推计算公式为：

$K\left(k\right)=\frac{P\left(k\right|k-1)}{P\left(k\right|k-1)+{\mathrm{\σ}}_N^2}---\left(3\right)$

$P(k+1|k)=\frac{{\mathrm{\σ}}_N^{2}P\left(k\right|k-1)}{{\mathrm{\σ}}_N^2+P\left(k\right|k-1)}+{\mathrm{\σ}}_j^2---\left(4\right)$

X(k+1|k)＝X(k|k-1)-ΔD+K(k)(Y(k)-X(k|k-1))    (5)

式中K(k)为最优增益系数，P(k|k-1)为预测误差协方差数，X(k+1|k)为基于第k个已加工工件对下一个待加工工件尺寸的预测值，递推计算公式的初始条件为：

综合上述各式，只要预先确定ΔD，σ_A ²，σ_j ²，σ_N ²，D₀就可对镗孔尺寸作出最优一步预测，并据此产生补偿信号。

P(0|0_)＝σ_A ²  (6)

X(0|0_)＝D₀    (7)

前一方式可以对当前加工工作之后的任一个加工件进行预测。当预先确定n，T后，H_i为常数，故该模型的优点在于误差预测模型不受刀具磨损量、加工误差及测量误差的影响。

控制系统参照尺寸控制目标值，根据上述尺寸估计D(n)，利用补偿镗头240对刀具进行调整。

补偿镗头240是本发明的一个核心，其结构如图2所示，主要包括弹性镗杆1、主轴2、拉杆5、主电机8、补偿驱动电机13、丝杆螺母副17、18和导向杆16，主电机8通过皮带轮传动副7、21(或其它传动装置)与主轴2相连，带动主轴2回转；主轴2由轴承3、6支撑在前箱体4中。弹性镗杆1与主轴2固定连接，并随主轴一起回转。补偿驱动电机13通过联轴节14与丝杆螺母副17、18中的丝杆18相连，其中丝杆18通过轴承15支撑在后箱体12中，与主轴2同轴，并将回转运动转换为螺母17的轴向移动，螺母17与螺母套19相连，并通过它与导向杆16及套杯10固定连接在一起作轴向移动；套杯10内设有滚动轴承11，用于支撑芯轴20，使得其既可以随螺母17一起轴向移动，又可以自身作回转运动，该芯轴与主轴中的拉杆5通过销9刚性连接在一起，并随主轴一起回转，并可同时带动拉杆5轴向移动，拉杆5与弹性镗杆内的拉杆刚性连接在一起，通过弹性镗杆内的传动环节驱动刀具产生补偿动作。

上述补偿镗头中的弹性镗杆可以采用现有的弹性镗杆，但采用本发明入另一项发明创造中提供的平行四边形弹性镗杆可以产生更好的技术效果。

如图3所示，弹性镗杆可分为杆体和与之相连的装有镗刀的刀杆二部分，杆体由弹性变形体25、联接套26、顶杆22、拉杆27和钢球23构成。弹性变形体25为圆柱体，如图4所示，它从纵向划分为前中后三段32、41和40，第一至第三纵向槽29、31、35位于弹性变形体中段的A-A截面上，第四至第六纵向槽36、39、43位于弹性变形体中段与A-A截面平行的B-B截面上，并形成四条相互平行的薄壁30、34、37、42，四条薄壁的厚度在0.5-15.0mm之间时可产生更好的技术效果。横向槽33与第二和第五纵向槽31、39相通。当横向槽33与第二和第五纵向槽31、39垂直，且将弹性变形体25的中段分为上下对称的两部分时，可实现更佳的技术效果。

从图4可以看出，四条的薄壁30、34、37、42在同一横截面上的连线构成了平行四边形。

联结套26也为圆柱体，并位于弹性变形。25内，弹性变形体的前段和中段与联结套外圆柱面有1mm左右的间隙，以利于弹性变形体的前段及中段有一定的径向移动空间，其后段与之固定连接。

拉杆27位于联结套26内、并且与之同轴，这样，拉杆在联结套的中心通孔中可作轴向移动。拉杆上设有斜面；

顶杆22位于拉杆27的斜面上方，其轴心线与薄壁30、34、37、42相垂直，顶杆22的上端与弹性变形体25的前段固定连接，具体方式可以是顶杆一端带有螺纹，并与弹性变形体前段上的螺纹孔相连接，并由锁紧螺母锁紧并保证一定的预紧力。该螺纹孔的轴线与弹性变形体上四条相互平行的簿壁垂直，顶杆的另一端的端部设有中心孔，钢球装入中心孔中，并压紧在拉杆的斜面上，它与斜面的接触面为平面，可保证两者在作移动时不损害接触面。

刀杆24的端部与弹性变形体25的前段固定连接，具体方式可采用圆柱面定位，并由螺钉压紧。

联结套26与镗头主轴的连接可采用短圆柱锥面定位，通过螺钉端面压紧。

上述镗头主轴与联结套、联结套与弹性变形体、弹性变形体与刀杆的端面配合处均可设端面键，以传递扭矩。

上述杆体外套有盖板44和防护罩28，盖板及防护罩起密封及防护作用，以防止工业现场的杂物进入镗杆体内部。

Claims (4)

1.一种镗削尺寸误差预测补偿控制方法，依次包括下述步骤：

(1)依次测量T+1个已加工工件的孔径尺寸Y_i(i＝0，1，2，……，T)；

(2)计算其后的第n个待加工工件的尺寸估计D(n)；

计算已加工工件尺寸Y₀，Y₁，Y₂，……，Y_T的加权平均值Z_(n)，作为对第T+n+1个工件的尺寸估计D(n)，(n＝1，2，3，……)，即D(n)＝Z_(n)

$Z\left(n\right)=\underset{i=0}{\overset{T}{\mathrm{\Σ}}}{Y}_i{H}_i----\left(1\right)$

$H_i=\frac{1}{1+T}+\frac{12(n+\frac{T}{2})(\frac{T}{2}-i)}{T(T+1)(T+2)}i=\mathrm{0,1}\·\·\·T----\left(2\right)$

式中H_i为加权系数；

(3)参照尺寸控制目标值，根据尺寸估计D(n)，并由一个控制系统(250)所发出的控制指令使一个补偿驱动电机(13)动作，以实现对一个补偿镗头刀刃位置的调整控制。

2.根据权利要求1所述的一种镗削尺寸误差预测补偿控制方法，其特征在于，当n＝1时，步骤2为：

(2.1)对镗削加工过程作统计分析，分别计算初始调刀均方差σ_A ²、加工均方差σ_j ²、测量均方差σ_N ²、每加工一个工件的刀具平均磨损量ΔD，且设定初始调刀的尺寸D₀；

(2.2)设当前已加工工件的孔径测量值为Y(k)，则下一个待加工工件的孔径尺寸估计D(1)＝X(k+1|k)，k＝0，1，……，递推计算公式为：

$K\left(k\right)=\frac{P\left(k\right|k-1)}{P\left(k\right|k-1)+{\mathrm{\σ}}_N^2}-----\left(3\right)$

$P(k+1|k)=\frac{{\mathrm{\σ}}_N^{2}P\left(k\right|k-1)}{{\mathrm{\σ}}_N^2+P\left(k\right|k-1)}+{\mathrm{\σ}}_j^2--------\left(4\right)$

        X(k+1|k)＝X(k|k-1)-ΔD+K(k)(Y(k)-X(k|k-1))    (5)

式中K(k)为最优增益系数，P(k|k-1)为预测误差协方差数，X(k+1|k)为基于第k个已加工工件对下一个待加工工件尺寸的预测值，递推计算公式的初始条件为：

$P\left(0\right|0\_)={\mathrm{\σ}}_A^2---\left(6\right)$

X(0|0_)＝D₀                (7)

3.一种实现权利要求1或2所述镗削尺寸误差预测补偿控制方法的装置，包括自动测量装置、控制系统和补偿镗头，所述自动测量装置(220)用于测量工件的尺寸，并与所述控制系统(250)相连，该控制系统与所述补偿镗头相连，其特征在于：所述补偿镗头(240)主要包括弹性镗杆(1)、主轴(2)、拉杆(5)、主电机(8)、补偿驱动电机(13)、丝杆螺母副(17、18)和导向杆(16)，主电机(8)通过传动装置与主轴(2)相连，弹性镗杆(1)与主轴(2)固定连接，补偿驱动电机(13)通过联轴节(14)与丝杆螺母副中的丝杆(18)相连，并将回转运动转换为螺母(17)的轴向移动，螺母(17)与螺母套(19)相连，并通过它与导向杆(16)及套杯(10)固定连接，套杯(10)内设有滚动轴承(11)，用于支撑芯轴(20)，该芯轴(20)与主轴(2)中的拉杆(5)相连，拉杆与弹性镗杆(1)内的拉杆相连。

4.根据权利要求3所述的装置，其特征在于：所述弹性镗杆为平行四边形弹性镗杆。

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