一种基于多次检测和补偿的高精度轴类零件加工方法与流程

本发明涉及轴类零件加工方法，尤其是涉及一种基于误差的检测与补偿的轴类零件加工方法。

背景技术：
随着技术发展，对各种运动机构精度提出了越来越高的要求，而轴系零件作为运动机构的重要执行部件，其直线度、尺寸精度等精度直接影响机构的运动精度。例如在国防工业中，导弹系统的陀螺仪直接影响其命中率，lkg的陀螺转子，其质量中心偏离其对称轴0.5μm就会引起100m的射程误差和50m的轨道误差。数控车床作为最常用的轴类零件加工设备，其导轨直线度和定位精度直接影响零件的加工精度。当零件精度要求超过机床精度时，可由两种方法来改善机床精度：(1)误差防止法，即直接提高加工母机的精度来保证数控机床精度，但是当其精度要求高于某一条件后，其所花费的成本将成倍数增长；(2)误差补偿法，即通过测量分析机床现有误差，建立误差的数学模型，通过硬件或软件增加一个附加的误差补偿系统，人为的在现有系统上引入一个附加误差源，使之与现有误差相抵消，此方法是一种具有显著经济价值并十分有效的提高机床精度的方法。当今的机床误差补偿多集中于对机床的机床几何误差和热误差的建模方法研究，然后进行软件补偿。即先测出误差项，再利用机床本身的执行机构进行补偿，其补偿能力取决于检测精度和机床本身执行部件的运动精度，补偿后的直线度和定位精度一般由几十微米降低到微米级，无法达到亚微米级精度；而采用附加误差补偿系统的研究较少，在《机床误差信号分离与补偿技术研究》中采用附加超磁致伸缩致动器和柔性铰链的方法对滚珠丝杠工作台的定位精度进行补偿，采用离线检测-开环补偿，补偿效果为±15μm降低到±8μm。但是，现有的机床误差补偿法采用一次补偿，没有对一次补偿后的效果进行误差分析和进一步的补偿修正。对于高精度工件的加工，影响工件加工精度的误差源很多，包括机床误差的检测和补偿、微位移执行机构、高精度工件测量、加工工艺系统的力变形与热变形、加工工序、装夹方式和变形分析、切削力变形、刀具选择和磨损控制、冷却润滑等，目前对这些单项误差源的分析有相当的研究，但还未解决将这些误差源定量折算成加工工件误差的技术。而且，现有的研究多集中于单项或若干项误差源的研究，但基于高精度工件加工的全流程，即对机床误差检测-机床误差补偿-工件加工工序安排-工件误差检测-工件误差同时进行补偿的研究未见报道。同时，现有的工件精度补偿技术多集中于尺寸和形位精度补偿，未考虑高表面粗糙度要求。

技术实现要素：
本发明要解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供了一种能有效提高机床的导轨直线度的基于多次检测和补偿的高精度轴类零件加工方法。本发明所采用的技术方案是：一种基于多次检测和补偿的高精度轴类零件加工方法，包括以下步骤：步骤1，将微进给补偿装置安装于数控车床遛板上，在数控车床导轨上选取n个测量间隔点，控制数控车床沿导轨单向移动m次，在微进给补偿装置的伸出端检测每次各测量间隔点在X方向的原始偏差数据Zix，i＝1,2,…,n；根据原始偏差数据，计算得到每次检测车床沿导轨单向移动时各测量间隔点在X方向的直线度和直线度偏差值，再根据每次的测量结果取平均，计算得到各测量间隔点在X方向的直线度偏差yi，所述X方向与导轨在水平面内垂直，n、m为正整数，微进给补偿装置的初始伸出量为0；步骤2，拟合样条函数得到两个相邻测量间隔点之间的直线度偏差连续函数；步骤3，在相邻两个测量间隔点之间设置N-1个附加间隔点，所述附加间隔点应使得相邻的附加间隔点之间或者相邻的附加间隔点与测量间隔点之间的直线度偏差的差值小于待加工轴类零件的表面粗糙度要求值；步骤4，控制微进给补偿装置在X方向进行预伸出，预伸出量α大于m次测量得到的导轨直线度最大值，小于微进给补偿装置行程；步骤5，读取数控车床导轨实时位置，在测量间隔点和附加间隔点，根据步骤2建立的直线度偏差连续函数计算微进给补偿装置在当前位置的第一伸出量，第一伸出量δsj＝预伸出量α-当前位置直线度偏差yj，j＝1,2,…,(N*n-N+1)，并驱动微进给补偿装置在X方向进行伸缩运动，使微进给补偿装置的伸出量为第一伸出量，在此条件下，控制数控车床沿导轨单向移动w次，在微进给补偿装置的伸出端检测每次各测量间隔点在X方向的补偿后原始偏差数据，根据补偿后原始偏差数据，计算得到每次检测各测量间隔点的补偿后直线度偏差值，再根据每次的测量结果取平均，计算得到导轨在X方向的补偿后直线度偏差hi，w是正整数；步骤6，判断各坐标点重复性，若重复性指标达到误差阈值以上，则进入步骤7，若重复性指标未达到误差阈值以上，则结束操作；重复性指标为w次测量补偿后直线度偏差值符号保持不变的坐标点的数量与所有坐标点数量的比；步骤7，将hi与yi相加，得到各测量间隔点直线度偏差修正值ki；步骤8，获取待加工轴类零件，所述待加工轴类零件的加工余量小于微进给补偿装置行程；步骤9，根据ki，拟合样条函数，建立直线度偏差修正连续函数；步骤10，控制微进给补偿装置在X方向进行预伸出，预伸出量为α；将加工刀具安装在微进给补偿装置伸出端，将待加工轴类零件安装在加工位置，读取数控车床导轨实时位置，在测量间隔点和附加间隔点，根据步骤9建立的直线度偏差修正连续函数计算微进给补偿装置在当前位置的第二伸出量δmj，第二伸出量δmj＝预伸出量α-当前位置直线度偏差修正值kj，并驱动微进给补偿装置在X方向进行伸缩运动，使微进给补偿装置的伸出量为第二伸出量,在此条件下，在微进给补偿装置的伸出端检测轴类零件一条水平母线上各测量间隔点的零件直线度偏差li；步骤11，检测一个测量间隔点处轴类零件的截面直径，得到该测量间隔点处直径单边余量a，同时根据步骤7得到该测量间隔点处直线度偏差修正值b，根据步骤10得到该测量间隔点处轴类零件直线度偏差e；步骤12，将各测量间隔点直线度偏差修正值ki和零件直线度偏差li进行累加，得到在各测量间隔点直线度偏差修正终值ci，ci＝(ki-b)+(li-e)，其中b和e分别为步骤11中所述的测量间隔点处的直线度偏差修正值和轴类零件直线度偏差；步骤13，根据ci，拟合样条函数，计算直线度偏差修正终值连续函数；步骤14，控制微进给补偿装置在X方向进行预伸出，伸出量等于步骤11测得的单边余量a，读取数控车床导轨实时位置，在测量间隔点和附加间隔点位置，根据直线度偏差修正终值连续函数计算微进给补偿装置在当前位置的第三伸出量δuj，第三伸出量δuj＝a-当前位置直线度偏差修正终值cj，驱动微进给补偿装置在X方向进行伸缩运动，使微进给补偿装置的伸出量为第三伸出量，控制数控车床沿导轨单向移动,用微进给补偿装置上的加工刀具对待加工轴类零件进行加工。所述步骤2或步骤9或步骤13中的样条函数为三次样条函数。所述步骤1中的导轨直线度和各测量间隔点直线度偏差值采用最小二乘法拟合原始偏差数据获得。所述步骤5中的各测量间隔点补偿后直线度偏差值采用最小二乘法拟合补偿后原始偏差数据获得。所述步骤6中的误差阈值不小于0.9。所述微进给补偿装置为压电陶瓷驱动的柔性铰链导向机构，伸出端可安装刀具。所述步骤1中，用双频激光干涉仪检测每次各测量间隔点在X方向的原始偏差数据。所述步骤5中，用双频激光干涉仪检测每次各测量间隔点在X方向的补偿后原始偏差数据。所述步骤10中，利用电感测微仪或者激光位移传感器检测轴类零件一条水平母线上各测量间隔点的零件直线度偏差li。所述步骤11中利用气动量仪检测一个测量间隔点处轴类零件的截面直径。本发明与现有技术相比的优点在于：1)在多次测量的原始偏差数据基础上建立直线度偏差连续函数，增加足够多的附加间隔点，利用插值法对导轨进行连续补偿，防止出现台阶，可以明显改善工件的表面粗糙度；2)对补偿后的导轨直线度进行再次测量、数据分析和补偿值修正，可以进一步提高导轨直线度，补偿后的机床导轨直线度可以达到亚微米级精度；3)合理安排工序和留取加工余量，将补偿后的亚微米级直线度导轨作为工件直线度检测的基准，利用导轨驱动位移传感器沿零件母线匀速运动实现对零件的直线度检测，同时利用气动量仪实现对零件特定位置外径的检测，实现整个工件直线度和尺寸精度的测量，最后利用亚微米级定位精度的微进给补偿装置对零件直线度偏差和尺寸偏差进行补偿加工，使机床的实际加工精度高于其本身的最大加工精度，从而满足零件加工精度的要求。此方法可以避免工件离线检测和再次安装，并实现整个工件直线度和尺寸精度的测量，提高加工效率和加工精度。4)提出了一种同时对机床误差和工件误差进行补偿的系统性方法，即机床误差检测-机床误差补偿-工件加工工序安排-工件误差检测-工件误差补偿，可以利用低精度机床实现高精度工件的加工。附图说明图1为本发明的补偿系统组成示意图；图2为数控车床的坐标图；图3为补偿前5次检测车床Z轴从400mm单向移动至190mm时各测量间隔点在X方向上的直线度偏差数据图；图4为补偿前车床Z轴从400mm单向移动至190mm时各测量间隔点在X方向上的直线度偏差和微进给补偿装置伸出量数据图；图5为Z轴坐标点190mm至Z轴坐标点400mm的直线度偏差连续函数和与突变补偿函数的效果对比图；图6为补偿后5次检测车床Z轴从400mm单向移动至190mm时各测量间隔点在X方向上的补偿后直线度偏差数据图；图7为补偿后车床Z轴从400mm单向移动至190mm时各测量间隔点在X方向上的补偿后直线度偏差、直线度偏差修正值和第二伸出量数据图；图8为根据修正值进行4次补偿后车床Z轴从400mm单向移动至190mm时各坐标点在X方向上的补偿后直线度偏差数据图；图9为轴类零件示意图。具体实施方式如图1和图2所示的加工系统，包括微机、控制器、微进给补偿装置、遛板、车床导轨、电感测微仪、双频激光干涉仪、外径检测装置和轴类零件，Z轴与加工导轨平行，X轴与Z轴在水平方向垂直，数控车床为180CCN数控车床，机床定位误差为2μm，对该数控车床的Z轴常用行程400mm至190mm进行轴类加工。步骤1，将双频激光干涉仪的分光镜安装在微进给补偿装置的伸出端，反光镜固定在机床上，数控车床匀速沿Z向导轨由坐标400mm移动至190mm，每间隔10mm停顿10秒，待机床和测量系统稳定后利用双频激光干涉仪检测每个间隔点在X轴方向的直线度原始偏差数据Z1x、Z2x、Z3x……Z22x，共检测5次，如图4所示。然后利用最小二乘法计算得到拟合直线，得到各次检测的直线度以及每个测量间隔点的在X方向上的直线度偏差值，将得到的5次测量结果取平均，得到在测量间隔点的直线度偏差yi(i＝1,2,…,22)。直线度偏差值为各测量间隔点的原始偏差数据与拟合直线上各测量间隔点的拟合值的差。微进给补偿装置参照2013年哈尔滨工业大学工学硕士论文，《高精度轴类零件加工误差补偿技术研究》，作者羡学磊。具体检测数据如表1、图3和图4中菱形标记点所示。表15次检测在测量间隔点在X方向上的直线度偏差值及直线度偏差步骤2，计算数控车床沿Z轴单向移动时在X方向的直线度偏差连续函数：已知机床直线度检测的测量间隔点坐标为xii，其直线度偏差分别为yii，且满足y′ii＝0，得到两个测量间隔点之间的三次样条函数，记为：y＝gii(x)(i＝1,2,…,21)，函数形式为：如图5中的粗实线为由各测量间隔点建立的三次样条函数图。图5中的细实线为突变补偿曲线。步骤3，通过离线编程将直线度偏差连续函数记录入微机中；在相邻两个测量间隔点之间设置N-1个附加间隔点，将相邻两个测量间隔点均分为N段，相邻的附加间隔点或者相邻的附加间隔点与测量间隔点的直线度偏差最大值应小于表面粗糙度要求值。这里表面粗糙度要求为Ra0.05。在相邻两个测量间隔点之间设置49个附加间隔点，则每段长度微机中的直线度偏差连续函数的输入量为每个测量间隔点和附加间隔点的机床Z轴坐标值，输出量为对应的直线度偏差yj(j＝1,2,…,1030)。步骤4，将微进给补偿装置安装于机床遛板上，微进给补偿装置伸出方向与X轴方向相反，利用微机控制微进给补偿装置在X方向进行预伸出，预伸出量为α；微进给补偿装置可以为压电陶瓷驱动的柔性铰链导向机构，伸出端可安装刀柄和刀具。微进给补偿装置的预伸出量α大于所述步骤1中多次测量得到的导轨直线度最大值，小于微进给补偿装置行程。本实施例中，微进给补偿装置为压电陶瓷驱动的圆弧形柔性铰链导向机构，装置的行程为0μm-9.5μm，定位精度0.125μm，响应频率≥200Hz，刚度270N/μm。由表1可知Z轴导轨直线度约2μm，为保证可以进行直线度补偿，利用微机控制微进给补偿装置在X方向进行预伸出量定为3μm。步骤5，机床作为服务器，微机作为客户端，微机通过发送读取信息请求实现获取机床实时Z轴坐标值，在测量间隔点和附加间隔点，利用微机根据步骤2建立的直线度偏差连续函数计算微进给补偿装置在当前Z轴坐标位置的第一伸出量，第一伸出量δsj＝预伸出量α-当前位置直线度偏差yj，j＝1,2,…,(N*n-N+1)。利用微机调用预先测定和编制的微进给补偿装置电压-位移函数计算驱动电压，用控制器驱动微进给补偿装置在X方向进行伸缩运动，连续补偿导轨在X方向的直线度偏差；在微进给补偿装置进行补偿动作时，机床沿Z轴进行运动，机床X轴坐标值保持不变。在实施例中，δsj＝3μm-yj(j＝1,2,…,1030)。计算得到的在400mm至190mm范围内，每间隔10mm时微进给补偿装置在各测量间隔点的伸出量δsi(i＝1,2,…,22)如表2和图4中的方形标记点所示：表2微进给补偿装置在各测量间隔点的伸出量δsj利用微进给补偿装置进行X方向直线度补偿的同时，用双频激光干涉仪对补偿后的Z轴由400mm单向移动至190mm每间隔10mm的各测量间隔点在X方向上的补偿后原始偏差测量5次，也可以采用平尺法进行测量。计算得到每次检测车床沿Z轴单向移动时导轨在X方向上的直线度和各测量间隔点的直线度偏差值，再根据每次的测量结果取平均，计算得到导轨在X方向的补偿后直线度偏差hi(i＝1,2,…,22)，如表3、图6和图7中菱形标记点所示。表35次检测在测量间隔点的补偿后直线度偏差值及Z轴在X方向上的补偿后直线度偏差通过表3和表1对比可以看出，补偿后的导轨直线度明显减小，由补偿前的1.83-2.11μm减小为0.51-0.74μm，提高约3倍。补偿后的各坐标点的偏差在±0.3μm范围内，补偿精度获得实质性提高。步骤6，判断各坐标点重复性，若重复性指标达到误差阈值以上，则继续之后的步骤，若重复性指标未达到误差阈值以上，不能用本发明，停止进行下面的步骤；重复性指标为多次测量补偿后直线度偏差值符号保持不变的坐标点的数量。本实施例中选取误差阈值为0.9。由表3可知，5次测量的各测量间隔点直线度偏差重复性较好，95％以上的坐标点5次测量直线度偏差都为正值或者负值，重复性指标为0.95，大于误差阈值，可进行补偿值修正。步骤7，将补偿后直线度偏差hi与直线度偏差yi进行累加，得到在各测量间隔点直线度偏差修正值ki,如表4和图7中三角标记点所示。表4各测量间隔点直线度偏差修正值步骤8，获取精加工处理后的待加工轴类零件，待加工轴类零件是根据最终的尺寸公差留取加工余量的，加工余量小于微进给补偿装置行程；本实施例中，零件如图9所示，待加工表面为零件粗圆柱外侧面，零件已经经过粗加工、半精加工、精加工工序，补偿加工时轴类零件待加工圆柱面两端分别对应的机床坐标为250mm和330mm，在步骤1检测的机床坐标范围190mm至400mm内。根据最终的尺寸精度φ180±0.001mm和微进给补偿装置行程0.0095mm，设定精加工后零件留取的加工余量为0.004mm，考虑数控机床X轴定位误差为2μm，零件此时尺寸为φ180+0.004±0.002mm。步骤9，根据各测量间隔点直线度偏差修正值ki，拟合样条函数，建立直线度偏差修正连续函数；步骤10，通过离线编程将直线度偏差修正连续函数记录入微机中，利用微机控制微进给补偿装置在X方向进行预伸出，预伸出量为α；将电感测微仪和加工刀具安装在微进给补偿装置伸出端，将轴类零件安装在加工位置，调整电感测微仪与轴类零件的一条母线平行，利用微机读取数控车床Z轴实时坐标值，在测量间隔点和附加间隔点位置，计算微进给补偿装置在当前Z轴坐标位置的第二伸出量δmj，第二伸出量δmj＝预伸出量α-当前位置直线度偏差修正值kj，用控制器驱动微进给补偿装置在X方向进行伸缩运动，再次连续补偿导轨在X方向的直线度偏差。在补偿的同时，用导轨驱动传感器沿Z轴运动对轴类零件上述母线上各测量间隔点的零件直线度偏差li进行在位检测。在检测过程中机床导轨应匀速运动，每间隔10mm停顿一次。电感测微仪也可以是激光位移传感器。在测量间隔点处的第二伸出量δmi如表5和图7中方块形标记点所示。表5微进给补偿装置在各测量间隔点的伸出量测得的各测量间隔点的零件直线度偏差如表6所示。表6零件直线度偏差和直径对步骤10，根据微进给补偿装置第二伸出量进行直线度补偿的同时，不对零件直线度进行在位测量，而利用双频激光干涉仪对机床400mm单向移动至190mm每间隔10mm的各测量间隔点的直线度偏差进行4次测量，然后利用最小二乘法计算得到各次检测的直线度以及各坐标点的第二次补偿后直线度偏差，具体检测数据如表7和图8所示：表7Z轴在X方向上的第二次补偿后直线度偏差由表6和图9可知，第二次补偿后直线度偏差已无明显规律，不需进行进一步的补偿值修正。通过表7、表3和表1对比可以看出，修正补偿值后的导轨直线度进一步减小，由补偿前的0.51-0.74μm减小为0.42-0.48μm。补偿后的各坐标点的偏差在±0.3μm范围内，且偏差为0μm的坐标点进一步增多，说明机床的导轨直线度明显提高。步骤11，利用高精度气动量仪5次在位检测零件在机床坐标270mm部位的直径，测得平均直径为φ180+0.0026mm，也可以测量其他部位的直径。由于电感测微仪示数越小表示零件直径越大，且测量的为零件半径差值，可计算得到零件对应各坐标点的直径，如表6所示。得到该测量间隔点处直径单边余量为1.3μm，同时根据步骤7得到该测量间隔点处直线度偏差修正值b，根据步骤10得到该测量间隔点处轴类零件直线度偏差e。步骤12，将各测量间隔点直线度偏差修正值ki和零件直线度偏差li进行累加，得到在各测量间隔点直线度偏差修正终值ci，ci＝(ki-b)+(li-e)，其中b和e分别为步骤11中所述的测量间隔点处的直线度偏差修正值和轴类零件直线度偏差，即该点对应的如表8所示；步骤13，根据各测量间隔点直线度偏差修正终值ci，拟合样条函数，计算直线度偏差修正终值连续函数；步骤14，利用微机控制微进给补偿装置在X方向进行预伸出，伸出量等于步骤11测得的270mm位置的直径单边余量，a为1.3μm，利用微机读取数控车床Z轴实时坐标值，在测量间隔点和附加间隔点位置，计算微进给补偿装置在当前Z轴坐标位置的第三伸出量δuj，第三伸出量δuj＝预伸出量a-当前位置直线度偏差修正终值cj，用控制器驱动微进给补偿装置在X方向进行伸缩运动，利用微进给补偿装置伸出端上的加工刀具对待加工轴类零件进行补偿加工。表8微进给补偿装置在各测量间隔点的直线度偏差修正终值在进行直线度和尺寸精度检测以及轴类零件补偿加工时零件、刀具不得拆卸和重复装夹，机床X向导轨保持不变。本发明未详细说明部分属于本领域技术人员公知技术。