【外文翻译】一种关于切削力引起的误差的无传感器.doc

原文:Progressive development of an absolute pensation system for cutting force-induced error
一种关于切削力引起的误差的无传感器
误差补偿系统的发展
Gelvis
2007年3月27日收到/2007年9月11日接受/2007年10月5日在线发表

摘要在传统机械加工过程中,切削力仅仅来源于***和工件之间的接触点。因此,机械加工过程的综合建模提供了一种实现无传感器的切削力检测系统的手段。这篇文章介绍了一种关于切削力引起的误差的无传感器误差补偿系统的发展过程,借此建立一个基于加工力学建模和参考补偿系统的学****智能的电脑系统。各种新的***和工件之间正常加工的经验都会逐步建模并纳入该系统中。最后,凭借丰富的经验,一个较为完整的无传感器系统作为一个独立的解决方案而建立起来。无传感器系统不仅是实惠、方便,而且是可靠、有效的。在数控面铣机械的应用中,该模型展示了非同一般的表现和稳定性。
关键词:切削力引起的误差、误差建模、人工神经网络、误差补偿
简介
加工行业,尤其对于数控机床来说,正面临着精密性、生产力和富有挑战性的商品经济等方面日益增长的需求。因此,以最低的成本和精确的系统来提高机床的精度,像以往一样至关重要。令人遗憾的是,通过复杂和高成本的传统方法【1】来实现特别良好的精确性,取得的结果令人沮丧。因此,用误差消除方法来代替误差避免会是一种降低成本、实现高精度要求的很有效的方法。
毫无疑问的,静态误差(几何误差和热误差)是一种主要的误差源。不过,在避免【1】和补偿【2、3】数控机床的静态误差上已经取得了一定的成就,包括通过综合分析来提高精度和基于远程温度传感的热误差补偿【4、5】。
随着静态误差的不确定性的成功改善,切削力引起的变形仍然是最主要的机器误差来源。迄今,自动控制已经成功应用于预测和控制切削力等方面。同时,实时预测和补偿切削力引起的误差【8、9】可以通过直接监测切削力而实现。另外,切削力也可以通过电机电流相对于切削负载的信号变化来进行间接监测【10、11】。
相反的,间接监测系统的实现涉及复杂、繁长的传动链伺服系统和实验设置的建模。因为切削力仅在***和工件之间的接触点产生,切削力可以通过加工流程的机械建模【12、13】来确定。为了使复杂的相关变量之间建立一个简单的模型,我们必须应用到人工神经网络(ANN)技术和几个数据库技术。
本文提出一种已经在一个3轴FA32数控铣床上建立的基于电机电流的参考CFIF补偿系统。然后我们开发一种基于人工神经网络【14】技术的唯一的无传感器系统,籍由来自切削加工的经验和机床加工的输入条件进行网格分析,然后预测切削力的组成。随后,预测的切削力与参考系统所提供的预期值进行比较。最后,调整网格的重量和偏心量直到达到最小误差,也就是标志着完成了网格的建立。
实验装置
参考系统的介绍
在本研究中,一个重要的焦点是放在机床由于切削力作用而产生的弹性变化过程中的潜在能量变化上。然后在切削力引起的误差下,机床变形对工件精度的影响也会被考虑到。迄今为止,传统的补偿系统是基于【8、9】直接和间接监测切削力的系统。如图1所示,参考系统根据监测伺服电机的电流变化来控制切削力的变化。这个参考系统是基于Kistler力测功机。位置传感器作为校准传感器,而霍尔传感器作为在线传感系统。这些从所有子系统上取得的数据在个人电脑的帮助下进行分析和建模。最后,模型通过RS232接口板和机载专用接口嵌入综合补偿系统。这个补偿系统是由一个单独的单片机(SCM),一个扩充卡,一个可编程的控制器和接口(PMC)。基于这个在单片机、加工参数以及其他外部输入条件的模型,然后导出它的误差预测和存储。最后,根据在PMC中的阶梯程序,导出的误差值是根据原始的数值计算并发送到适当的伺服系统的补偿误差。

使用基于马达电流的补偿系统的主要目的是为了使无传感器系统的应用成为可能。因此,事先校准电流传感器和切削力之间的关系是必要的。同样的,切削力与相应的误差之间的相关性的建模也是必须的。考虑到电机电流不仅受到切削力的影响,也受到摩擦力和惯性负载的影响,一个清晰的分析理解是必须的,特别是摩擦负载中的库伦和粘性组件的特性。它们之间的关系是更加复杂的,因为它们相对于切削负载可以进一步的细分为独立而又相关的关系,表达如下:
(1)
满足下列的条件:电机电流分别在x,y,z三个伺服系统上的分量;
是切削力分别在x,y,z三个方向上的分力;是角速度分别在x,y,z三个伺服系统上的分量;是角加速度分别在x,y,z三个伺服系统上的分量。
因为融合摩擦元件