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[资料] 成形联接轴/毂孔数控车削加工的研究

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发表于 2011-7-13 23:52:54 | 显示全部楼层 |阅读模式

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1 前言
7 C7 S' k! O  J7 Z) i* d" ?# K成形联接(无键联接)具有较大的断面积和惯性矩,联接面上没有键槽及尖角等应力源,在传动中依靠接触面传递扭矩,承载能力高,不会因应力集中而破坏,在保证相同的刚度和强度的条件下,尺寸较小,对于具有锥度的成形联接可以承受单方面的轴向力,非常适合在重载或安装要求较为紧凑的条件下使用。然而由于型面复杂,加工、制造困难,还没有得到广泛应用。
7 w1 p# g8 |* f8 t) j& T近年来,已有一些学者研究提出了多种加工方法,如采用四轴联动数控铣削、磨削加工、成形插削加工等。但都因为各自的缺点,没有得到实际应用。& E( z" \. t8 s
2008312153247.gif % M2 q$ e& W) z6 [1 ]1 `
(a)柱形  ]- i# ], V- X9 {% v( l  a8 M* W
2008312153257.jpg 7 P) V+ n3 |& ^1 l- ~3 @2 @
(b)锥形
5 ?5 S, g& U# z+ g: t9 ~图1 三角轴/毂孔# [. g( ?! r* u! i$ c4 U2 E1 ]
实际上,对于成形联接中的典型零件,如三角、四角等形状的轴/毂孔(图1) ,最直接和高效的加工方法是车削加工。当刀架性能满足要求时,采用内孔镗刀或外圆车刀,可以加工型面较为复杂、无间隙配合的三角轴/毂孔(也可以采用与车削加工相同的数控装置和控制方法,变车刀为磨头进行磨削加工)。当采用计算机校制系统数控加工时,计算机可以根据型面设计和工艺要求自动生成加工数据(电称为软靠模)在加工不同型面时仅需更换数据,具有较大的柔性。采用车削加工的关键在于大行程、高响应、高精度的伺服刀架和有效的控制策略。笔者在实践中采用特殊设计的电液伺服刀架和迭代学习控制策略.刀架的-3dB频宽达到130Hz,切削行程为±2mm,切削力满足对钢材加工的要求。以一套数控系统同时完成锥度和三角形截面的加工,并对直径为20mm、锥度为1:20 的三角轴/毂孔进行了加工实验,获得了成功。
0 Y3 Y# x! E9 A, s: Y 200831215398.gif
3 P) f/ ]$ a* {7 @. O& G; y+ [图2 三角轴/孔廓形曲线
8 u( n! u* w! ~/ [/ I2 J 2008312154215.gif % {/ W: X. h" G( P6 L4 \; p
图3 切前量展开图
: W5 l# D3 t( g+ k3 [/ K& a7 `2 型面介绍
1 T" E5 l6 ?" S7 N由于三角轴等成形联接使用较少,其设计方法也未能标准化和系列化。通常是依据所采用的加工方法,并为方便加工,以分段圆弧、偏心圆弧、摆线、等距曲线等构成成形曲线。本文采用的三角轴/孔的廓形曲线如图2 。从图中可以看出,最大切削量为1.26mm。如果将切削量按旋转角度在X-Y平面展开,其形状如图3。从图2和图3可以看出,机床主轴旋转一周,刀架必须往返3次。" D7 A* E: W( p! Y9 ]
对于有锥度的三角轴/毂孔,其塑面轮廓为锥度曲线和三角轴曲线的合成。由于采用计算机控制刀架按照给定的切削量运动,且切削量按照“走刀量”进行计算以控制工件加工长度与所生成的数据量一一对应。因此,锥度曲线与三角轴曲线合成时,应当注意将三角轴/毂孔对应长度处的值相加,而不是简单相加。8 j! T+ v, Y0 U4 m! H
叠加了锥度后的轴/毂孔.其加工的切削量大于柱形三角轴/毂孔,同时其有三角形截面的复杂性。对刀架动特性的要求则更加苛刻。; I. p2 \3 I& ^7 B$ c9 H  Z1 e
3 型面分析
* m. n5 P3 F) F$ }5 A1 i8 Z; E2 U在三角轴/毂孔的加工中,理想的刀架运动将是图3所示的切削量轨迹这也是控制系统的给定指令曲线。从图3可以看出,主轴旋转一周,刀架将往复三次。实际上,这一运动通常包含高次谐波。这一点,通过对给定运动轨迹的傅立叶展开可以清楚地看到。在难以得到解析解的情况下,也可以对给定数据进行拟合,分析该曲线的信号成分。本文采用多项式的正交化最小二乘方法进行拟合,令g(q)为切削量曲线,拟合结果如下:7 C% d/ s8 i5 O1 @) ]) d. J$ i4 B$ A
g(q)=0.7188+0.6272cos3q-0.0888cos6q+0.0027cos9q3 {% j  [* p1 @5 X7 ?: m3 ]
(1)3 Q7 I4 Z4 G! I% P% z8 x
式(1)的拟合误差小于0.5µm。& s  Y6 d! |" |- U! G8 D6 l5 r
如果在上式中将主轴旋转角频率w显示出来,则:
  l# D+ x/ M* T0 |. \g(t)=0.7188+0.6272cos(3wt)-0.0888cos(6wt)+0.0027cos(9wt)% d! n( I2 r/ }4 Y+ l: d
(2)
5 W- ?+ l$ j% @' n) c0 u式(2)表明,刀架运动的基频为主轴旋转频率的3倍,同时含有2倍频和3倍频。因此,应适当选择加工时的主轴转速以保证刀架的-3dB 频宽满足上述要求。同时,还应注意到,对于非线性系统,其-3dB频宽随输入信号幅值变化,通常是输人幅值越大,-3dB频宽越小。
" \7 E+ c% h, s' W( i+ k  @7 t7 [ 2008312154427.gif
0 K# o% {/ L0 ?7 m图4 迭代学习控制策略框图* h1 D* U- f4 }' }7 \
2008312154819.gif $ F) C+ \# v( i- M# c
1.光电编码器 2.工件 3.伺服阀 4.位移传感器 5.刀架. S% M. }2 C& z' P7 q: s; ]
图5 加工控制系统
  Q: }/ ^5 j* }0 R/ W6 D4 控制策略$ j/ Y4 W' B# {- I, W
从上面的分析可以看出,带有锥度的三角轴/毂孔等成形联结,其型线具有切削量大(给定信号幅值较大),型线相对复杂,含有高频谐波等显著特点。型线从其截面看,有较强的重复性同时具有渐变性。实践证明.在高速加工情况下,对于这样的型线,采用通常的反馈控制难以获得高精度,而迭代学习控制是较适合的方法。; Q. o" U, c, I1 U
迭代学习控制由日本Arimoto教授提出,用于结定信号周期重复问题的控制。其应用的条件是系统满足给定信号、负载扰动、初始条件以及系统动特周期性重复的要求。从其结构、对信息的利用、对实施控制的条件等方面来看,这一控制策略已不同于以往的反馈控制,而应属于智能控制的范畴。然而,考虑到三角轴/孔等成形联结零件型线的渐变特性,与迭代学习控制的重复性要求是一对矛盾。解决这一矛盾的关键在于提高控制策略的收敛速度,使其高于型线周期变化的速率。
% O& s: L2 b" j4 p本文采用的控制策略框图如图4。为提高迭代学习控制策略的收敛速度,对经典迭代P型学习控制策略进行了修正,增加了针对给定信号渐变的控制量。实践证明效果良好。
3 F4 X. h1 G$ T; _( J* Z# v 200831215508.gif : R2 M, e/ V7 W. `
(a)三角孔截面跟踪结果
( m. W$ t7 A. t 2008312155155.gif
# t4 ^2 N% O  I4 H5 k(b)三角孔截面切削量跟踪误差
2 b) C( q1 n" [3 G* b5 W图6 三角孔截面切削量及其跟踪误差
: a& R2 u; _+ P7 ]7 W 2008312155611.gif
  j5 N' U; j" d: q(a)三角孔母线跟踪结果
7 P* d4 ]2 w+ a5 [ 2008312155619.gif
6 w) _& b$ d8 W$ Q1 w% x(b)三角孔母线跟踪误差
& c- y2 Y8 x: P- V6 F图7 三角孔母线跟踪误差(半径方向的缩减量)* @+ G. c  u" h/ d0 T6 ^
5 试验结果
9 q& T0 w3 t  E) a0 O5 M) B依据以上分析,实践中在主轴转速600r/min的条件下,进行了锥度为1: 20的三角轴/孔的实际加工。采用计算机控制技术、控制高响应电液伺服刀架运动.加工控制系统如图5。图6 为三角孔控制系统跟踪结果。图7为三角孔某一母线的跟踪结果。图中,实线为给定曲线,虚线为跟踪结果。从图中的跟踪误差可以清楚地看出,截面的误差均在20µm以内。
( r* h, u4 D. ~# q* N# L& D- g6 结论( I/ g( v0 V0 G* r) E
本文采用高响应电液伺服刀架和跟踪控制策略,对成形联结中典型的三角轴/毂孔零件进行了具有锥度时的车削加工试验。试验结果表明,车削加工可以获得较高的效率和精度,避免了采用多轴连动数控加工所必须的高投入,并且可以加以改装、以同样的控制方式完成磨削等精加工,具有较大的应用前景。
% V, z; K7 i; ]+ O文章关键词: 数控车削
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