微进给系统在磨床上的应用研究

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1、2008中德制造技术论文集微进给系统在磨床上的应用研究张家梁，李蓓智，杨建国(东华大学机械工程学院上海，201620)摘要：压电陶瓷器件在精密定位和微位移控制中得到了广泛的应用。根据磨床精密加工的需要，为补偿砂轮的振动对加工精度的影响，在原有数控外圆磨床的基础上设计了微进给工作台及其基于信号处理和特殊算法的闭环控制系统，并进行了磨削加工实验。实验结果表明，零件加工精度在1µm左右，满足零件精密加工的要求。关键词：压电陶瓷；微进给系统；闭环系统，磨床Researchofmicro-feedings

2、ystemappliedtogrinderAbstract:Piezo-electricactuatorsareusedwidelyinthefieldofprecisepositioning.Forthesakeofcompensatingupontheeffectofprocessingprecisionaffectedbythevibrationofgrindingwheelofprecisiongrinder,amicro-feedingworkplatformanditsclose-l

3、oopcontrolsystembasedonspecialalgorithm,whichservesasanauxiliaryfeedingdeviceofthegrinder,hasbeendesignedbasedontheoldergrinder.Theexperimentresultsshowthatthemachiningaccuracyofthepartscouldbecontrolledabout1µm,andmetprecisionmanufacture.Keywords:Pi

4、ezo-electricactuators;micro-feedingsystem;closed-loopcontrol;grinder1引言精密和超精密加工技术是机械加工制造业中的关键技术之一，精密和超精密加工决定了[1,2]机械产品的精度和表面质量，直接影响尖端工业与国防技术的发展。精密定位工作台的定位精度是制约精密机床加工精度的关键因素之一。基于宏微驱动的超精密定位将机床进给系统划分为宏动和微动两个部分，宏定位工作台完成系统的高速度、大行程、低分辨率的运动，微定位工作台系统行程小，分辨率很

5、高，用来补偿宏定位的残留位置误差和抑制残余振动，[3,4]从而获得整个精密定位工作台总体上的大行程、高速度、高精度、高频响等指标。由于传统外圆磨床的砂轮进给系统的质量大，导轨间存在摩擦以及热变形，固定在滚珠丝杠的砂轮工作台的进给步长的精确度有一定的局限性，因此传统磨床驱动砂轮进给工作台[5]的位置精度较低，砂轮头架的进给误差较大，因而很难保证零件的超精密加工的要求。目前，提高磨削的加工精度和效率成为了国内外科研单位研究的热点之一。本文结合上海市科技攻关项目“面向精密磨床的压电驱动超精密定位工作台

6、研制”，进行宏微驱动高精度定位工作台关键技术研究，并开发相应工作台系统，应用于精密外圆磨床。2磨床定位机构设计2.1磨床定位机构总体设计为了提高数控外圆磨床的定位精度，考虑在原有进给系统的基础上，再加一级微进给工作台。通过二级进给，实现超精密加工。首先机床工作台进行粗进给，即一级进给，精密测量反馈系统进行加工状态实时在线测量，再经微进给控制系统对加工数据进行的分析处理后，由微进给工作台根据系统的处理结果和指令实现超精密进给加工，即二级进给，最终达到加工的目的。图1为微定位机构精度补偿原理。132

7、2008中德制造技术论文集图1微定位机构精度补偿原理图粗进给工作台实现高速运动，满足磨削加工的高响应、高效率的要求，其定位精度为微米级，微动工作台在精密移动工作台的基础上，通过控制系统检测精密移动工作的定位误差，对磨床的定位精度进行补偿。微进给机构设计采用压电陶瓷驱动器和柔性铰链组合方式，利用柔性铰链的微小弹性变形来传递位移，推动微动工作台，实现微量进给，具有体积小、机[6,7]构紧凑、无机械摩擦、无间隙等优点，满足精密加工对微定位的要求。并在实际的机构的结构设计中，采用杠杆放大原理，提高微进给

8、机构的系统刚度，满足磨床加工对微进给系统刚度的要求。采用直圆型柔性铰链组组成的导向支承机构的简化模型如图2所示。压电陶瓷安装在平行四边形体内，出力为F。图中O点为微进给工作台的出力点。设计导向支承机构首先必须推导微进给工作台性能与导向支承机构参数之间的关系。根据系统采用的压电陶瓷的特性，利用Matlab进行仿真得出压电陶瓷的工作极限值是一条直线如图3所示。由这条直线与坐标轴围成的区域为压电陶瓷的工作区域。压电陶瓷是一种脆性的陶瓷材料，其抗拉强度远低于抗压强度，而且压电陶瓷致动器是由多片陶瓷材料堆