基于压电陶瓷的微进给工作台及其控制系统的软硬件实现

    0　引言

    磨削加工是精密机械加工的最主要的手段之一,传统的数控磨削加工机床在CNC系统和PLC的控制下,砂轮头架的进给运动主要由伺服控制系统控制伺服电机,驱动滚珠丝杠完成砂轮工作台的进给。一般伺服控制系统采用PID闭环控制,因为控制对象模型的不确定性,使得系统缺少准确性和稳定性,而且滚珠丝杠传动系统受几何误差和磨损误差和传动间隙等因素的影响,固定在滚珠丝杠的砂轮工作台的进给步长的细分性和精确度有一定的局限性。因而,所驱动砂轮进给工作台的位置精度较低。在磨削加工过程中,虽然运用光栅尺或干涉仪等高精确测量仪器来测量在线磨削工件的尺寸精度,但工作台的实际位移精度较低,砂轮头架的进给误差较大,因而很难保证零件的磨削高一级的加工精度。

   目前,提高超精密磨削加工技术和加工精度是国内外技术发展瓶颈,也是科研单位的研究热点。本文提出一种基于压电陶瓷的机床微进给工作台及其控制系统,运用该系统,只需对原有机床磨削机构稍加改进,在滚珠丝杠的平台上再增加一层精密微进给工作平台,通过一定控制算法,就可以完成对更精密零件的超精密磨削加工。

    本文研制了一种基于压电陶瓷的精密微进给工作台及其控制系统。系统从对位移输入、电压输出的控制入手,采用前馈控制理论和闭环控制法算法,可有效的抑制压电陶瓷微进给器的蠕变、滞回特性及位移-电压非线性的不良影响[1],在系统中,微进给工作平台由压电陶瓷、柔性铰链机构组成,控制系统由单片机系统的软硬件来实现。该系统已经在精密外圆磨床上获得了实际加工应用。此外,系统不仅用在外圆磨床的精密加工进给中,还可以用在平面磨床和内圆磨床等一些高精密工件加工的场合[2]。

    1　微进给工作台的总体结构

    考虑到传统磨床进给系统不可避免地存在爬行、系统响应频率低、反应速度慢[4]等不可靠现象。在保证精密进给系统的总进给量足够大,响应速度快同时精度高的前提下,本文采用快进、粗磨和半精磨、精磨、光磨和精快退和粗快退等循环磨削方式。系统用一个2级进给机构来实现。图1为机床2级进给机构的工作台的工作原理示意图。在磨削循环加工过程中,快进、粗磨和粗快退这3个循环工步由滚珠丝杠所驱动的第一层工作台的移动来实现,即属于机床第1级进给机构。机床的半精磨、精磨、光磨和精快退这4个循环工步由微进给工作台中的压电陶瓷联合具有杠杆增力效应的铰链机构驱动第二层工作台的精密移动来实现,即属于第2级进给机构。两级进给方案的实现,起优势互补作用。运用CNC系统所控制的磨床滚珠丝杠进给工作台的运动范围大,刚度高,速度快的特点,来驱动第一层导轨实现砂轮的快进、粗加工进给和粗快退等工作循环,以提高工件的加工效率;运用微进给工作台的分辨率高和响应速度快的特点,来驱动第二层精密导轨实现砂轮的微量进给、光磨和精快退,以提高工件的加工精度和表面质量。