數(shù)控磨床磨削運動精度分析與控制方法理論研究

黃振宇

（浙江杭機股份有限公司，浙江 杭州 311305）

在信息化與自動化技術快速發(fā)展過程中，市場競爭局面也日益激烈。產(chǎn)品快速響應已經(jīng)成為市場競爭的關鍵。在機械制造領域開始注重高精度與高速發(fā)展，磨削加工能夠降低生產(chǎn)成本，所以多數(shù)構件都開始應用磨削工藝生產(chǎn)加工。但是對于大型構件來說，因磨床運動軌跡所致誤差，會導致工件幾何形狀誤差，對零件加工表面造成較大影響，所以必須采取有效措施處理。通過應用誤差補償技術不會對機床進行大幅度改造，有助于提升數(shù)控機床的運動精度，所以多數(shù)地區(qū)都投入大量人力物力進行研發(fā)。但是部分學者的研究所提出的建模方法無法推廣應用到其他數(shù)控機床運動建模中，并且不具備可移植性，關于數(shù)控機床的誤差研究還未出現(xiàn)明確結果。

1 提升數(shù)控磨床磨削運動精度的有效措施

1．1 磨床的檢修

（1）檢測、修刮導軌：在對床身導軌進行檢修維護后，其必須滿足相關精度要求：垂直平面內，不垂直度小于0.01mm；水平面內，不直讀小于0.001mm。對滑鞍座導軌的接觸點為13點，不垂直度小于0.02mm。檢修平面導軌后，必須滿足以下精度要求，不平行度小于0.02mm、接觸點為13點，不垂直度小于0.01mm。

（2）檢查與維修滑鞍座導軌。對于滑鞍座導軌來說，必須滿足以下精度要求：水平面內與垂直面內，不垂直度分別小于0.001mm和0.01mm，接觸點要求為13點。在檢修和維護滑鞍座平面導軌后，接觸點要求為11點，不平行度小于0.02mm。

（3）調整砂輪主軸、軸瓦間隙：將顏料涂抹在砂輪主軸軸頸，與軸瓦轉研，將軸瓦表面刮除干凈，接觸點為13點。完成之后進行調整安裝，確保砂輪主軸、軸瓦間隙在0.0025mm，防止在具體磨削作業(yè)中，使工件出現(xiàn)棱圓。

1．2 主軸電機與砂輪平衡性問題

磨削表面粗糙度會受到主軸電機振動影響，因此必須注重砂輪主軸電機的動平衡問題。砂輪需要兩次平衡，使用金剛筆對砂輪進行修整后，進行粗平衡。之后通過油石進行細化精修，進行精細化平衡。

1．3 修整砂輪

通常來說，在普通磨床上，使用金剛筆對砂輪修整時，表面粗糙度只能達到Ra0.4～0.8hm。為了增加表面粗糙度，必須對砂輪進行兩次修整。在實際修整時可以應用以下技術方法：砂輪粒度選擇46?！?0＃。通過單顆粒金剛筆精細修整砂輪，確保砂輪可以修整出大量等高微刃。在精修過程中，必須保證修整器安裝合理性，進給量控制在5m以你，降低縱向進給速度。在精修處理時，應當仔細辨認儀器所發(fā)出的聲音。如果出現(xiàn)沙沙聲音，則表明修整良好；如果出現(xiàn)漸高漸低的聲音，并且伴有不規(guī)律的嘟嘟腎陰，則應當檢查工作臺是否產(chǎn)生爬行問題，冷卻是否充分，檢查金剛筆的鋒利性，并且做好相關調整處理。使用金剛筆進行精細化修整之后，使用油石進行細節(jié)修理，確保砂輪可以修整出大量等高微刃。在平面磨床上需要將油石磨平。在細節(jié)修整期間，必須確保油石平行于砂輪圓周表面，并且接觸砂輪，緩慢進行縱向移動。

1．4 磨削用量

用豪特曼高精密數(shù)控外圓磨床FX27-60CNC進行超精磨削時，可保證有效達到≤Ra0.02μm表面粗糙度要求應選用的經(jīng)驗磨削用量。

2 多體系統(tǒng)理論下的數(shù)控磨床運動模型的建模

按照數(shù)控磨床的實際情況，提出中多體系統(tǒng)誤差描述方法，包含運動控制、裝配誤差和制造誤差等。此種方法是基于誤差所建立的多系統(tǒng)運行模型。

按照誤差描述方法，在多體系當中的任意點建設位置方程，具體如下：

從上述公式可以推導出數(shù)控磨床砂輪中心位置，約束方程如下：

砂輪方位的約束方程如下：

通過上述所介紹的數(shù)控磨床相對運動的約束方程，建立理想數(shù)控指令、磨削路線，實際磨削軌跡之間的映射關系，以此作為數(shù)控磨床精密磨削運動的方程。

3 三坐數(shù)控平面磨床運動的精度分析

3．1 幾何誤差分析

此次所研究的三坐標數(shù)控磨床，由于存在誤差因數(shù)影響，三坐標數(shù)控磨床的各運動部件在磨削運動中都存在角位移誤差和線位移誤差，由于不同方向的導軌垂直度誤差均不相同，因此此次研究應用21項誤差產(chǎn)生，對三坐標數(shù)控磨床的誤差進行描述。

3．2 磨削過程精密運動控制指令算法

在磨削加工期間，為了確保砂輪運動軌跡的精密性，必須確保在任何時間段內，機床砂輪范圍和理論規(guī)劃的方位相同。將上述條件作為基礎，建立數(shù)控磨床相對運動約束方程，利用運動學求逆，以此計算粳米磨削運動軌跡相對應的數(shù)控驅動指令值。三坐標的數(shù)控磨床相對運行約束方程建設，必須給予數(shù)控磨床的實際運行軌跡實現(xiàn)，通過迭代法求解運動軌跡方程，將理想條件下的數(shù)控指令值作為迭代初始值。通過機床分辨率作為迭代終止條件。在明確砂輪理論軌跡后，還能夠深入分析砂輪的磨損問題。

4 三坐標數(shù)控磨床砂輪運動軌跡仿真

此次研究應用雙頻激光干涉測量系統(tǒng)，通過該系統(tǒng)檢測數(shù)控磨床定位誤差。建立誤差參數(shù)辨識模型，將三坐標數(shù)控機床的誤差參數(shù)分離出，之后將參數(shù)帶入到數(shù)控磨床運動模型中，由此開發(fā)出數(shù)控磨床磨削軌跡仿真，并且加工形成磨削程序，這樣就可以獲得補償前和補償后的數(shù)控磨床磨削軌跡圖形。通過分析軌跡模型能夠看出，此次研究所提出的誤差補償理論和方法，有助于提升數(shù)控磨床的加工精度。

5 結語

綜上所述，在現(xiàn)代科技快速發(fā)展過程中，表面磨削加工技術也得以快速發(fā)展。針對表面粗糙度技術拉說，數(shù)控磨削機的運行精度誤差明顯高于局部粗糙度，會對工件表面形位精度造成較大影響。此種矛盾問題在中型和大型構件磨削加工中比較常見，所以必須采用合理有效的措施進行處理。在磨削施工期間，為了確保所獲取的砂輪運動軌跡具有較高精度，應當確保機床在任意工況下，砂輪工件與方位與理論規(guī)劃的砂輪方位相同，以此提升加工制造的精密度。按照此種條件，通過多體系統(tǒng)運動學理論，能夠基于計及誤差，建立機床砂輪軸心—待磨削工件的運動模型，利用運動學求逆方法，能夠獲得砂輪沿著軌跡運動的數(shù)控驅動值。按照此次研究的理論推導過程，多體系統(tǒng)運動學理論在建立、控制和分析數(shù)控磨床運動模型中具有顯著效果。通過大量仿真實驗的結果能夠看出，此次研究所提出的理論方法具備可行性，可以應用到數(shù)控磨床磨削運動精度分析與控制方法的理論研究中。