鄧志平,蔣朝鴻,尚廣云,仲 良,張正義

(西華大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院,四川 成都 610039)

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細(xì)長軸車削加工尺寸的誤差補(bǔ)償

鄧志平,蔣朝鴻,尚廣云,仲 良,張正義

(西華大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院,四川 成都 610039)

在細(xì)長軸車削加工中,通過建立線陣CCD(Charge-Coupled Device)測量系統(tǒng)和PID(Proportion-Integral-Derivative)誤差控制系統(tǒng)組成的在線實(shí)時(shí)檢測控制系統(tǒng),應(yīng)用線陣CCD測量系統(tǒng)對工件直徑進(jìn)行在線實(shí)時(shí)檢測,并將測得的結(jié)果及時(shí)傳輸?shù)絇ID誤差控制系統(tǒng),經(jīng)分析計(jì)算后將誤差大小反饋給數(shù)控系統(tǒng),數(shù)控系統(tǒng)通過刀具的切削補(bǔ)償來控制整個(gè)切削過程.通過試驗(yàn)對比分析,其結(jié)果與實(shí)際車削加工相符,證明了該系統(tǒng)能夠顯著提高加工精度,對細(xì)長軸實(shí)際車削加工具有指導(dǎo)意義.

細(xì)長軸; CCD; PID; 誤差補(bǔ)償;在線實(shí)時(shí)檢測

DENG Zhi-ping,JIANG Chao-hong,SHANG Guang-yun,ZHONG Liang,ZHANG Zheng-yi

(School of Mechanical Engineering,Xihua University,Chengdu 610039,China)

在機(jī)械加工中,通常將長度與直徑之比(長徑比)大于20的一類軸定義為細(xì)長軸.細(xì)長軸應(yīng)用及其廣泛且需求量大,是制造業(yè)中不可缺少的重要零件.但在制造加工中,受自身和外界多因素的影響,很難保證其加工精度[1].

為提高細(xì)長軸的加工精度,國內(nèi)外學(xué)者進(jìn)行了大量參數(shù)補(bǔ)償方面的研究[2-4].這些研究一定程度上能夠提高它的加工精度,但多數(shù)研究都是基于數(shù)控內(nèi)部參數(shù)修正方面的補(bǔ)償,不能隨著加工環(huán)境的改變而改變,因而會(huì)產(chǎn)生誤差.鑒于此,本文建立了基于線陣CCD測量系統(tǒng)和PID誤差控制系統(tǒng)的在線實(shí)時(shí)檢測控制系統(tǒng)對細(xì)長軸車削加工尺寸誤差進(jìn)行補(bǔ)償.

1 建立線陣CCD測量系統(tǒng)

測量系統(tǒng)在整個(gè)數(shù)控車削加工過程中有著至關(guān)重要的作用,它直接影響著零件的加工精度.鑒于CCD傳感器具有分辨率高、靈敏度高、抗震性及抗沖擊性好等諸多優(yōu)點(diǎn)[5],采用線陣CCD傳感器來作為測量系統(tǒng)的測量儀器.測量系統(tǒng)的其余部件主要有光源、計(jì)算機(jī)、數(shù)據(jù)線等,采用投影成像測量法對工件的直徑進(jìn)行在線實(shí)時(shí)檢測,如圖1所示.

圖2為該測量系統(tǒng)的測量原理圖.當(dāng)光源1發(fā)出的平行光經(jīng)過準(zhǔn)直鏡2、透鏡3和光闌4照射到待測工件上時(shí),經(jīng)透鏡3和光闌4成像在線陣CCD傳感器上,就能夠測出陰影像的寬度D,根據(jù)投影成像幾何關(guān)系可計(jì)算出工件的直徑d:

(1)

式中:L為成像透鏡像方焦點(diǎn)到CCD傳感器接收點(diǎn)的距離;f為成像透鏡的焦距.

陰影像的寬度等于陰影部分像元個(gè)數(shù)N(即輸出脈沖個(gè)數(shù))與像元尺寸m(即像距)的乘積,則有:

圖2 測量原理圖

(2)

由式(1)和(2)得:

(3)

2 建立PID誤差控制系統(tǒng)

PID誤差控制系統(tǒng)主要包括:PID誤差補(bǔ)償、數(shù)控車床加工工藝自調(diào)整模塊、數(shù)控加工模塊以及工件加工精度檢測模塊.該系統(tǒng)如圖3所示.

圖3 PID誤差控制系統(tǒng)

PID控制器對控制偏差e(t)分別進(jìn)行比例、積分和微分運(yùn)算,3個(gè)作用分量之和作為控制信號(hào)輸出給被控對象[6].其控制原理如圖4所示.

PID控制的線性組合數(shù)學(xué)模型為

(4)

式中:u(t)為輸出信號(hào);KC為比例系數(shù);TI為積分時(shí)間常數(shù);TD為微分時(shí)間常數(shù).

圖4 PID控制原理圖

圖中,r(t)是給定的初始輸入信號(hào);y(t)是被控量;控制偏差e(t)=r(t)-y(t).

PID控制的傳遞函數(shù)模型為

(5)

式中:KI為積分時(shí)間常數(shù),KI=KC/TI;KD為微分時(shí)間常數(shù),KD=KCTD.

根據(jù)閉環(huán)控制原理來構(gòu)建PID閉環(huán)控制誤差模型.信號(hào)通過前向通道和反饋通道構(gòu)成閉合回路進(jìn)行自動(dòng)控制,根據(jù)控制對象實(shí)際輸出和預(yù)期之間的偏差,將輸出量變化作為比較量按定額或標(biāo)準(zhǔn)反饋給輸入端控制輸入量.該模型如圖5所示.

圖中k為加工序號(hào);r(k)為待加工細(xì)長軸的直徑理論值;e(k)為基本誤差;u(k)為誤差補(bǔ)償值;b(k)為經(jīng)過調(diào)整后的車削加工尺寸;c(k)為車削加工后的實(shí)際尺寸.

圖5 PID閉環(huán)控制誤差模型

由此可得到細(xì)長軸車削加工時(shí)精度誤差控制表達(dá)式:

(6)

e(k)=c(k)-r(k)

(7)

b(k+1)=r(k+1)-u(k)

(8)

3 建立細(xì)長軸車削加工在線實(shí)時(shí)檢測控制系統(tǒng)

該系統(tǒng)應(yīng)用線陣CCD測量系統(tǒng)對車削加工過程中工件的直徑進(jìn)行在線實(shí)時(shí)檢測,并且將得到的結(jié)果及時(shí)傳輸?shù)絇ID誤差控制系統(tǒng),經(jīng)分析計(jì)算后將誤差大小反饋給數(shù)控系統(tǒng),數(shù)控系統(tǒng)通過刀具的切削補(bǔ)償來控制整個(gè)切削過程.其原理如圖6所示.

圖6 細(xì)長軸車削加工在線實(shí)時(shí)檢測控制系統(tǒng)原理圖

4 車削加工尺寸誤差補(bǔ)償試驗(yàn)

通過兩組試驗(yàn)對比來檢驗(yàn)在線實(shí)時(shí)檢測控制系統(tǒng)在車削加工過程中的誤差補(bǔ)償效果.試驗(yàn)器材主要包括:FANUC-Oi數(shù)控車床、發(fā)光器、CCD傳感器、細(xì)長軸若干、計(jì)算機(jī)等.本次試驗(yàn)刀具選用硬質(zhì)合金刀具,其基本參數(shù)為前角γ0=10°、主偏角Kγ=90°、刃傾角λs=0°.細(xì)長軸已粗加工,材料為45鋼,其長L=500 mm,直徑d=25 mm.試驗(yàn)車削參數(shù)為:進(jìn)給速度v= 60 m·min-1、進(jìn)給量f=0.1 mm·r-1,背吃刀量ap=0.25 mm.試驗(yàn)結(jié)束工件理想直徑為23 mm.通過查找參考文獻(xiàn)[7],PID控制模型調(diào)節(jié)因子的取值如下:KP=1.5,KI=0.03,KD=0.05.

兩組試驗(yàn)得出的數(shù)據(jù)分別記錄在表1和表2中,每次車削加工間隔50 mm對加工誤差進(jìn)行測量并記錄.表1中為無誤差補(bǔ)償情況的普通車削加工,表2為有誤差補(bǔ)償情況的車削加工.

為了便于研究,將表1的數(shù)據(jù)繪制成如圖7所示曲線圖.

同理,將表2的數(shù)據(jù)繪制成如圖8所示曲線圖.

從圖7 分析可知,尺寸誤差表現(xiàn)出兩端小、中間大的現(xiàn)象,其最大尺寸誤差值出現(xiàn)在工件中點(diǎn)靠右端一些,這是由于工件中間剛性差,容易造成加工變形,因此尺寸誤差較大.另外,隨著車削加工次數(shù)的增加,工件尺寸誤差越來越大.綜合分析其原因?yàn)?由于每次車削加工都是嚴(yán)格按照給定的參數(shù)進(jìn)行,沒有進(jìn)行誤差補(bǔ)償,因此,尺寸誤差會(huì)隨著車削加工次數(shù)的增加而累積,造成尺寸誤差越來越大,加工精度越來越低.而圖8中工件尺寸誤差有同樣表現(xiàn),隨著車削加工次數(shù)的增加,工件尺寸誤差呈減小的趨勢,證明了PID補(bǔ)償車削加工的正確性,符合車削加工要求.

5 結(jié)論

(1) 本文建立的基于線陣CCD測量系統(tǒng)和PID誤差控制系統(tǒng)的在線實(shí)時(shí)檢測控制系統(tǒng),通過試驗(yàn)對比分析,與實(shí)際車削加工相符,驗(yàn)證了試驗(yàn)分析的準(zhǔn)確性.

表1 無誤差補(bǔ)償?shù)募庸こ叽缯`差

圖7 無誤差補(bǔ)償?shù)募庸こ叽缯`差曲線圖

車削次數(shù)軸坐標(biāo)/mm050100150第1次0.0670.0720.0830.085第2次0.0320.0410.0430.047第3次0.0050.0060.0090.011第4次-0.003-0.0010.0010.002車削次數(shù)軸坐標(biāo)/mm200250300350第1次0.0920.1050.1130.108第2次0.0520.0610.0630.060第3次0.0140.0180.0230.020第4次0.0040.0050.0060.004車削次數(shù)軸坐標(biāo)/mm400450500第1次0.1010.0890.083第2次0.0520.0460.039第3次0.0170.0090.006第4次0.0030.0020.001

圖8 有誤差補(bǔ)償?shù)募庸こ叽缯`差曲線圖

(2) 與傳統(tǒng)車削加工相比,此系統(tǒng)的誤差補(bǔ)償加工誤差隨著切削走刀次數(shù)的增加而減小.

(3) 通過試驗(yàn)得出,基于此系統(tǒng)的尺寸誤差值能夠滿足實(shí)際車削加工的精度要求,具有實(shí)際意義.

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Machining dimensional error compensation on slender shaft turning

During the slender shaft turning process,an on-line and real-time detection and control system is established using the linear array CCD measurement and PID error control systems.With the CCD measurement system for work-piece diameter detection,the results are transmitted to the PID error control system.By feeding the errors back to the NC system,the machining compensations are used for machining process control.In comparison with the experimental and actual results,the machining precision is significantly enhanced for slender shaft turning.

slender shaft; CCD; PID; error compensation; on-line and real-time detection

西華大學(xué)研究生創(chuàng)新基金(YCJJ2015083)

鄧志平(1956-),男,教授,碩士生導(dǎo)師.E-mail:zhipingdeng@mail.xhu.edu.cn

文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A 文章編號(hào)： 1672-5581(2016)01-0069-04