陳寶月 劉煥牢 李小力 劉 璨 譚光宇

（①廣東海洋大學，廣東湛江524088;②華中科技大學，湖北 武漢430074）

影響數(shù)控機床加工精度的誤差因素，一般包括:機床零部件制造和裝配時的幾何誤差（Geometric error），熱變形引起的誤差（Thermal Induced Error），加工過程中切削力引起的誤差簡稱切削力誤差（Cutting Force Induced Error），其他誤差（如跟蹤誤差（Trajectory Following Error）等）［1］。經(jīng)過這些年的努力，對幾何誤差、熱誤差的補償研究已經(jīng)取得了較好的成效，同時隨著高性能驅(qū)動軸技術(shù)以及現(xiàn)代控制算法的使用，跟蹤誤差得以大幅度減小，然而對于切削力誤差的預防和補償卻嚴重滯后［2－3］。各國學者在早期誤差補償技術(shù)的研究中，大部分并沒有考慮切削力誤差，但是，隨著切削力的增大和高效切削以及一些難加工材料應用的日益廣泛，切削力誤差問題變得越來越突出。

Eyüp Sabri Topal等人采用測力傳感器獲取切削力信號，然后利用理論計算得出誤差數(shù)值，對切削力誤差進行測量［4］。X.Li運用神經(jīng)網(wǎng)絡建立了切削力誤差模型，預測切削力分量（徑向、軸向、切向）和系統(tǒng)變形導致的工件尺寸偏差之間的關(guān)系［5］。W.Polini［6］建立了切削力模型以預測其變形引起的工件誤差。Sin－Young Lee［7］研究了數(shù)控銑床各種切削條件下的銑削力，根據(jù)刀具變形、切削力和機床誤差之間的關(guān)系建立了切削力誤差模型。Chana R.等人采用測力傳感器間接檢測切削力，使用BP神經(jīng)網(wǎng)絡建立了幾何誤差和力誤差的綜合誤差模型［8］。S.Ratchev［9］、T.C.Bera［10］等通過建立銑削力模型，來預測刀具和工件變形引起的工件表面誤差。

基里維斯等利用壓力傳感器法、電流識別法以及經(jīng)驗公式計算法得到力的大小，通過位移傳感器獲得誤差數(shù)值樣本［11］。吳昊等對精密車削中心切削加工過程中的熱變形和切削力進行了分析，建立了熱誤差和切削力誤差的綜合模型［12］。也有通過主軸伺服電動機電流信號間接測量切削力，建立了切削力誤差的神經(jīng)網(wǎng)絡數(shù)學模型［13－15］。張宏韜對雙轉(zhuǎn)臺五軸數(shù)控機床進行了誤差動態(tài)實時補償研究，指出了五軸數(shù)控機床的幾何誤差、熱誤差和切削力誤差的來源，并進行了誤差的測量［16］。萬敏等采用銑削力模型預測銑削誤差［17］。孫暄等［18］提出一種螺旋立銑刀加工中動態(tài)切削力的建模方法，通過微元法建立的切削力數(shù)學模型和斜角等厚度切削有限元模型兩者相結(jié)合，對誤差的來源進行了分析。

根據(jù)以上的文獻表明，在切削力和機床誤差關(guān)系方面，目前主要是采用力傳感器來測量切削力，通過力模型或者加工工件誤差反求獲取機床誤差數(shù)值，都是間接地獲得了切削力誤差，而沒有直接得到切削力和誤差數(shù)值的直接對應。由于切削過程復雜，現(xiàn)有測量儀器不能直接用于測量切削力誤差，所以目前的誤差測量技術(shù)很難使用，需要采取合適的試驗方法獲得切削力和機床誤差的對應關(guān)系。

本文針對切削力誤差研究中存在的問題，模擬切削過程中工藝系統(tǒng)受力狀態(tài)，提出數(shù)控機床單軸受力誤差測量系統(tǒng)，直接獲取機床誤差（直接測量法）。

1 數(shù)控機床單軸受力誤差測量系統(tǒng)

數(shù)控機床單軸受力誤差測量系統(tǒng)，通過施力裝置給機床施力，模擬切削過程中工藝系統(tǒng)受力狀態(tài)，來直接測量機床誤差。首先要獲得施加力的大小即切削力軸向分力的大小，然后設計施加平均力（恒力）的裝置，使數(shù)控機床處于或近似處于切削狀態(tài)，以使步距規(guī)可以直接用于測量誤差，開展“恒力”情況下的測量試驗，使用步距規(guī)和杠桿式傳感器的組合測量單軸受力誤差，達到單軸受力和誤差的直接對應。

1.1 單軸受力大小的獲得

采用測力儀測量切削力，選取合適的切削參數(shù)，測量數(shù)控機床不同加工條件下的切削力大小。本文采用應變片式測力儀，是利用切削力作用在測力儀的彈性元件上，使緊貼在彈性元件上的電阻應變片隨其發(fā)生變形，從而其電阻值改變，經(jīng)過轉(zhuǎn)換后，得出切削力各單軸分力的大小。

1.2 單軸受力誤差測量系統(tǒng)

設計施力裝置，給工作臺施加恒力，模擬切削過程中工藝系統(tǒng)受力狀態(tài)。

施力裝置由定滑輪、螺紋調(diào)節(jié)機構(gòu)和支架組成。鋼絲繩一端連接工作臺，另一端連接鐵塊，通過施力裝置使機床受力;調(diào)整施力裝置的位置，使施力方向與所測量的坐標軸共面;通過螺紋調(diào)節(jié)機構(gòu)調(diào)節(jié)施力裝置的高度，使施力方向與此坐標軸水平。使用步距規(guī)和杠桿式傳感器的組合測量單軸受力誤差（如圖1）。

1.3 機床單軸受力誤差的測量

采用花崗巖步距規(guī)與杠桿式傳感器的組合來測量單軸受力誤差。將花崗巖步距規(guī)水平地放置在機床工作臺上，使用百分表進行校準（如圖2），使花崗巖步距規(guī)與Y軸夾角近似等于0，在調(diào)整過程中，保證誤差在10 μm 以內(nèi)。

給機床X軸方向施加力，進行誤差的測量，設備的連接如圖1。為了減小鋼絲繩與定滑輪之間在運動過程中產(chǎn)生的滑動摩擦，將定滑輪與鋼絲繩（運動行程范圍）上涂抹潤滑油。調(diào)整施力裝置的位置，使所施加的力與X軸水平，調(diào)整施力裝置的高度，以保證力是水平的。所施力的大小由鐵塊的質(zhì)量來決定。杠桿式傳感器通過磁性座連接到主軸上，并通過RS232接口連接計算機以進行數(shù)據(jù)采集。

2 誤差測量結(jié)果

在漢川機床XH714D加工中心上，運用上述機床單軸受力誤差測量系統(tǒng)，根據(jù)所測得的切削力X軸分力的大小范圍，選取0 N和140 N分別進行施力來測量誤差，位置誤差測量結(jié)果如表1，重復定位精度R和定位精度A結(jié)果如表2。

表1 位置誤差測量結(jié)果

表2 重復定位精度R和定位精度A結(jié)果

3 結(jié)語

實驗結(jié)果表明，數(shù)控機床單軸受力誤差測量系統(tǒng)可以直接獲得力大小與誤差數(shù)值的對應;由表1、2看出，機床受力的情況下，誤差數(shù)值增大，說明數(shù)控機床零部件在一定彈性變化范圍內(nèi)，機床單軸受力使機床的誤差增大。

本文提出數(shù)控機床單軸受力誤差測量系統(tǒng)，并測量了機床單軸受力引起的誤差，實現(xiàn)了機床單軸受力大小和誤差數(shù)值的直接對應。為數(shù)控機床單軸受力誤差提供了理論基礎(chǔ)和測量方法，為數(shù)控機床的動態(tài)特性及接觸剛度提供試驗數(shù)據(jù)和理論基礎(chǔ)。

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