[发明专利]一种介观尺度弹性薄壁件变形在线预测及补偿方法

摘要

本发明涉及一种介观尺度弹性薄壁件变形在线预测及补偿方法，属于机械加工领域，其包括机床转台、测力仪、驱动器、控制器、冷却器、支架、微细铣刀、红外热成像仪以及用于补偿径向浸入的调节机构，本发明可以在线实时监测加工薄壁件的变形情况，并通过调节机构控制丝杆与丝杠螺母副对支撑台进行实时的调节，消除由于工件变形引起的径向欠切进而提高加工精度和质量；本发明调节机构独立于机床控制系统，不会影响现有程序规划的刀具路径，这极大节约了编程效率，进而提高了生产效率。

主权项

1.一种介观尺度弹性薄壁件变形在线预测及补偿方法，其特征在于步骤如下：①搭建弹性薄壁件变形在线控制系统，并建立加工系统坐标系，标定切削力系数；所述在线控制系统包括机床转台(1)、测力仪(2)、驱动器(5)、控制器(7)、冷却器(8)、支架(10)、微细铣刀(6)、红外热成像仪(9)以及用于补偿径向浸入的调节机构；所述测力仪(2)设置在机床转台(1)上方，所述调节机构设置在测力仪(2)上方，所述支架(10)设置在机床转台(1)上方并与测力仪(2)平行，所述红外热成像仪(9)设置在支架(10)上，所述测力仪(2)输出端与控制器(7)相连，所述红外热成像仪(9)输出端与控制器(7)相连，所述控制器(7)输出端与驱动器(5)输入端连接，所述驱动器(5)输出端与调节机构相连；所述调节机构包括：传感台(3)、步进电机(14)、丝杠(13)、丝杠螺母副(12)、第一支板(15‑1)、第二支板(15‑2)、薄壁件(4)与支撑台(11)，所述步进电机(14)输入端与控制器(7)相连，所述步进电机(14)设置在传感台(3)侧壁上并与丝杠(13)相连，所述丝杠(13)通过滚珠与丝杠螺母副(12)相连，所述丝杠螺母副(12)端部与支撑台(11)侧壁连接，所述第一支板(15‑1)和第二支板(15‑2)平行设置在传感台(3)上，所述支撑台(11)设置在第一支板(15‑1)和第二支板(15‑2)上，所述薄壁件(4)设置在支撑台(11)上；所述微细铣刀(6)通过刀柄设置在主轴上并与薄壁件(4)接触，所述冷却器(8)输入端与控制器(7)输出端相连；所述薄壁件(4)上端为薄壁状，壁厚为4mm，基底壁厚为60mm；以弹性薄壁件变形在线控制系统中的薄壁件(4)为基准，建立工件‑刀具顺铣系统，利用微细铣刀(6)在薄壁件(4)基底上铣槽，通过测力仪(2)分别采集切削过程中X、Y和Z方向的力F_x、F_y和F_z，并求出平均和利用标定出切削力系数kr、kt以及ka，式中Nt微细铣刀(6)为刀齿数，ap为轴向切深，fz为每齿进给量；②利用红外热成像仪(9)进行温度判断，当温度低于133℃时，进行在线的顺铣切削力测量，并与刚性顺铣切削力进行对比；当温度高于133℃时，通过控制器(7)发出指令至冷却器(8)进行氮气冷却，直至顺铣温度低于133℃后，再进行在线的顺铣切削力测量，并与刚性顺铣切削力进行对比；③根据加工系统坐标系构建工件刚性顺铣切削力模型，并依此模型计算标准切削力；301在工件坐标系中，当径向切深a_e小于轴向切深a_p时，切削刃的滞后角度表达式为：其中λs为微细铣刀(6)的螺旋角，D为微细铣刀(6)的直径；302在考虑滞后角的微细顺铣力模型中，不同的刀齿位置通过切入角确定，确定基于刀具离散切削微元所对应的切入角度，则平均切削厚度为：其中为第_j个切削微元的刀具接触的位置角，为切入角，为切出角，实际顺铣切入角：其中a_ea为实际的径向切削深度，R为微细铣刀(6)的半径，为工件初始变形量；303基于平均切削厚度确定切向、径向和轴向的微细顺铣切削力方程：其中a_pa为实际轴向切削深度，304将切向、径向和轴向微细顺铣切削力分别投影到X、Y、Z三个方向，得到工件刚性条件下的标准铣削力的表达式：其中④采用相同的工艺参数进行顺铣，将测力仪(2)采集数值与步骤③中式(六)的计算值进行比对，并计算Y方向顺铣力的差值，通过步骤③中式(四)反求出径向补偿值ae'；⑤径向补偿值ae'反馈到控制器(7)中，控制器(7)对驱动器(5)发出指令，驱动器(5)通过步进电机(14)带动丝杠(13)与丝杠螺母副(12)完成变形补偿。