[发明专利]一种基于负柔度原理的磨床刚度补偿方法

摘要

本发明是一种基于负柔度原理的磨床刚度补偿方法，属于精密磨削加工技术领域，主要涉及平面磨削加工过程中磨床因刚性不足而产生的弹性变形。利用一种负柔度可控工作台来实现加工系统刚度的补偿，这种装置由压电陶瓷驱动器和柔性机构组成。该方法主要通过如下过程实现：a.测量磨床在实际磨削面的法向上的刚度和分别绕磨削面内两个相互垂直的2个轴向旋转的转角刚度；b.分析加工系统的力学特性，建立工作台的负柔度输出模型；c.搭建相应的反馈控制系统，实现磨床刚度的在线补偿。本发明能改进磨削工艺，提高磨削效率，对于保证磨削用量、磨削表面的平整性和工件的尺寸精度具有重要的应用价值，尤其对工程陶瓷等硬脆材料的磨削加工有重要意义。

主权项

一种基于负柔度原理的磨床刚度补偿方法，其基于一种由3个压电陶瓷驱动器驱动的作为柔度补偿机构的三自由度负柔度可控工作台来补偿磨床的刚度，磨削力测量装置与磨床相连，信号采集分析系统的输入输出分别连接磨削力测量装置和三自由度柔度补偿机构，其特征在于：实时测量磨削过程中砂轮与工件之间的磨削力，根据磨削力的大小调节柔度补偿机构的负柔度输出以补偿磨削过程中磨床的弹性变形，该方法包括以下步骤：a.测量磨床在实际磨削面的法向上的刚度和分别绕磨削面内两个相互垂直的2个轴向旋转的转角刚度；首先测量磨床的静刚度，包括磨削面的法向上的刚度KZ、分别绕磨削面内两个相互垂直的2个轴向旋转的转角刚度Kα和Kβ； K Z = Δ F z ΔZ - - - ( 1 ) K α = Δ M X Δα - - - ( 2 ) K β = Δ M Y Δβ - - - ( 3 ) 其中Z轴为磨削平面的法向，X、Y轴在磨削平面内垂直于Z轴形成一个直角坐标系；ΔFZ为在磨削面的法向方向上施加的载荷的增加量，ΔZ为加载中的载荷方向上的变形量的增量；ΔMX为在X轴方向上施加的绕X轴旋转的扭矩的增加量，Δα为加载中砂轮绕X轴方向的转角的增量；ΔMY为在Y轴方向上施加的绕Y轴旋转的扭矩的增加量，Δβ为加载中砂轮绕Y轴方向的转角的增量；b.分析负柔度可控工作台的力学特性，建立磨削加工系统的负柔度补偿模型；在磨床工作台上放置的三自由度柔度补偿机构是由3个并联的压电陶瓷驱动器、动平台、柔性联接件、底座、主体和柔性环构成的柔性机构，可通过调整压电陶瓷驱动器的伸长量来调整柔性机构的柔度输出；当安装有工件的柔度补偿机构受到磨削力作用时，根据实时测得的磨削力大小调整工作台上的各个压电陶瓷驱动器的伸长量，使柔度补偿机构产生一个与该磨削力方向相反的变形输出，实时调整压电陶瓷驱动器的伸长量保持该变形与磨削力的比值即负柔度与磨床的柔度大小相等方向相反；当工作台受到磨削力F=[FZ,MX,MY]T作用时，工作台通过调整各压电陶瓷驱动器的伸长量ΔL1,ΔL2,ΔL3，从而驱动柔性工作台产生一个与该力的方向相反的变形量GW；GW=[ΔZ,Δα,Δβ]T=g(ΔL1,ΔL2,ΔL3)   （4）为了补偿磨床的弹性变形GM，需要保证下式成立； G W = F K = ΔZ Δα Δβ = - F Z / K Z M X / K α M Y / K β - - - ( 5 ) 式（5）中GW通过调整压电陶瓷驱动器的伸长量来实现，磨削力F在零件的磨削过程中实时测得；对式（4）进行相应的化简转换可以得到压电陶瓷驱动器的伸长量[ΔL1,ΔL2,ΔL3]T=g‑1(ΔZ,Δα,Δβ)    （6）。