【導(dǎo)讀】Surfacegrinding;Partialremoval;In-processsensing;Precisioncontrol;Model;Form. leyn(x,z0),signi?removalrateforef?machiningprocess.ofmultipleaspects(Ba?aszand

　　

【正文】 測(cè)量法間接測(cè)量的磨削力之外，其他所有處于完全移除條件下的理論 與實(shí)驗(yàn)的相對(duì)誤差率都處于﹪到 ﹪，表明該系統(tǒng)精度監(jiān)測(cè)能力的提高。該實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以為重要精密加工工藝的精度檢測(cè)，工藝設(shè)計(jì)和工藝條件檢測(cè)等方面的深入研究的提供參考。 關(guān)鍵詞 平面磨削，部分移除，過(guò)程傳感，精度控制，建模，形位誤差 1 介紹 精度控制建模 磨削是少數(shù)幾種可以加工硬脆材料的高精度高去除率的磨削工藝方法之一。該工藝被廣泛應(yīng)用于機(jī)光電領(lǐng)域中的高精度加工。平面磨削是一種高精度的平面加工工藝。為了實(shí)現(xiàn)質(zhì)量控制的高精度，有必要開(kāi)發(fā)新模型以實(shí)現(xiàn)加工過(guò)程的精密控制。 對(duì)于磨削過(guò)程的建模， 其模型是多種多樣的。例如磨削紋理模型，砂輪形式模型，熱場(chǎng)傳導(dǎo)模型，動(dòng)力學(xué)模型，磨屑生成模型，力場(chǎng)模型，以及功率模型等均得以研究。 磨屑或者材料移除模型的建立是基于表面的接觸力學(xué)。在磨削機(jī)理中彈塑性影響被人認(rèn)為是與磨粒密度有關(guān)。砂輪的磨損表面可以用分形函數(shù)來(lái)建立模型。砂輪粗糙度檢測(cè)及磨損磨削動(dòng)力學(xué)的模型已經(jīng)建立過(guò)。由 Liao et al建立的熱力學(xué)模型涉及到磨屑與工件接觸面之間以及工件與磨屑的剪切面的熱力學(xué)效應(yīng)。磨削區(qū)域的工件表面溫度是可以預(yù)測(cè)的。 對(duì)于圓柱形工件的的橫貫?zāi)ハ饕呀?jīng)由 Weck et al 提出了 相關(guān)的動(dòng)力學(xué)時(shí)域模型。一種研究磨削工藝動(dòng)力學(xué)特征的非線(xiàn)性動(dòng)力學(xué)模型由 Zhang et al 提出。由 Gopal 和 濟(jì)南大學(xué)畢業(yè) 論文 外文資料翻譯 9 Rao 提出的磨屑厚度模型通過(guò)合并砂輪的彈性系數(shù)來(lái)評(píng)估金剛石砂輪的磨削過(guò)程?；诮y(tǒng)計(jì)學(xué)分布的未變形磨屑厚度，磨削力及功率的預(yù)測(cè)模型由 Hecker er al 提出。 為了控制切削深度，可以應(yīng)用基于切削力的模型。實(shí)時(shí)磨削力模型被用來(lái)控制法向磨削力。對(duì)于平面磨削的滑移力模型涉及到影響摩擦系數(shù)的過(guò)程參數(shù)。遺傳算法模型可以用來(lái)協(xié)調(diào)功率需求及預(yù)測(cè)表面終處理。 形位誤差 眾所周知之前的檢測(cè)模型主要是與 磨削過(guò)程中的粗糙度，功率，熱，磨屑厚度以及動(dòng)力學(xué)特性有關(guān)。形位誤差作為工件中尺寸，外形，粗糙度中具有決定性的質(zhì)量參數(shù)之一，仍然是個(gè)難題。現(xiàn)有的平面磨削的形位誤差檢測(cè)的文獻(xiàn)很少。 局部去除問(wèn)題 對(duì)于典型的磨削工藝由于最初的表面輪廓誤差以及工件和裝配體的不重合，加工過(guò)程通常以工件便面的局部磨削開(kāi)始（圖 1）。如果這一點(diǎn)在之前的模型中沒(méi)有預(yù)先考慮到的話(huà)，在加工過(guò)程中的外形精度檢測(cè)會(huì)產(chǎn)生很大的誤差。這樣精度控制能力就會(huì)降低。 過(guò)程傳感問(wèn)題 在我們之前的模型中，由 Gao et al 提出的過(guò)程測(cè)量方法不是很 實(shí)用而且初始工件輪廓參數(shù) y0(x,z)被假定為零。 正因?yàn)榇?，我們無(wú)法精確測(cè)定系統(tǒng)參數(shù)也無(wú)法獲得表面形狀信息，而這將影響我們對(duì)加工過(guò)程實(shí)現(xiàn)精密控制的建模，而這卻是急需的。在之前的試驗(yàn)中加工過(guò)程沒(méi)有完全的仿真出來(lái)。最大模擬誤差達(dá)到了 ％ . 改進(jìn)的離散系統(tǒng)模型及過(guò)程傳感技術(shù) 為了解決上述問(wèn)題以實(shí)現(xiàn)精度控制的更高模擬精度，一種新的表面形狀過(guò)程檢測(cè)原型系統(tǒng)被開(kāi)發(fā)出來(lái)。通過(guò)使用過(guò)程中形位誤差傳感器，精確參數(shù)估計(jì)和局部移除條件將被包括在該改進(jìn)型離散系統(tǒng)模型中，而該系統(tǒng)被用在平面磨削工藝中。該改進(jìn)的離散系統(tǒng)模 型將被驗(yàn)證。提到的新模型及過(guò)程檢測(cè)技術(shù)在部分及充分移除條件下將會(huì)非常實(shí)用。它將在整個(gè)磨削過(guò)程中被用來(lái)預(yù)報(bào)工件的行為誤差。除此之外，該改進(jìn)模型將使用先進(jìn)的控制技術(shù)以實(shí)現(xiàn)超高精度及納米級(jí)的高效加工。 2 過(guò)程形位誤差測(cè)量 為了部分移除階段參數(shù)的精確估計(jì)和識(shí)別，形位誤差輪廓 yn(x,z)的過(guò)程測(cè)量將被用來(lái)提高模型的精確性。 沒(méi)有過(guò)程形位誤差測(cè)量系統(tǒng)（圖 1 和 2）， 工件必須從加工位置取下來(lái)測(cè)量工件的最初輪廓 y0(x,z)。這種測(cè)量方法會(huì)引起造成很大的測(cè)量誤差，因此工件不得不在離線(xiàn)檢測(cè)后再進(jìn)行多次測(cè)量。（ Huang和 Gao）。 這種方法非常適合于非鐵性材料如鋁，銅和硅，而這些材料的測(cè)量過(guò)程中磁性吸盤(pán)無(wú)法使用。 原型 為了避免漸進(jìn)接觸階段的刮擦問(wèn)題，開(kāi)發(fā)出了一種新型的過(guò)程平面輪廓測(cè)量系統(tǒng)，并已經(jīng)應(yīng)用到了現(xiàn)實(shí)的平面磨床的加工過(guò)程中（圖 2）（ Gao et al.,2021,2021）。 該測(cè)量系統(tǒng)主要由三角形激光傳感器，上涂裝置和通氣裝置組成。 這種激光傳感器的型號(hào)是 Cyber Optics DRS300，分辨率為50 納米，用來(lái)測(cè)量工件表面形狀輪廓 yn(x,z)(圖 1 和 2)。上涂裝置是為了降低測(cè)量區(qū)域附近的冷濟(jì)南大學(xué)畢業(yè) 論文 外文資料翻譯 10 卻液的數(shù)量（圖 2）。這 將有助于為光學(xué)測(cè)量建立一個(gè)透明的窗口。通氣裝置是 通過(guò)發(fā)射氣流沖擊工件表面以清除冷卻液。 該系統(tǒng)是首次解決了冷卻液?jiǎn)栴}影響使用高精度光學(xué)裝置的工件表面輪廓測(cè)量系統(tǒng)（ Gao et al.,2021）。 導(dǎo)熱及振動(dòng)問(wèn)題 由于導(dǎo)熱困難和振動(dòng)這兩大關(guān)鍵難題，精密加工的形位誤差的在線(xiàn)光學(xué)測(cè)量的研究需要加強(qiáng)和廣泛的研究。 另一個(gè)問(wèn)題就是內(nèi)部接觸問(wèn)題（ Marinescu et al.,2021）。 到目前為止，所能找到的研究文獻(xiàn)為數(shù)不多，盡管從二十世紀(jì)八十年代開(kāi)始就有不少利用光學(xué)途徑進(jìn)行粗糙度測(cè)量的方法，但是都未能 解決上述兩大難題，尤其是導(dǎo)熱困難問(wèn)題。 本文所提到的測(cè)量系統(tǒng)（ Gao et al.,2021）可以解決上述兩大問(wèn)題。該系統(tǒng)可以在實(shí)際磨床上實(shí)現(xiàn)高精度在線(xiàn)平面誤差測(cè)量而不發(fā)生刮擦現(xiàn)象（圖 2）。 目前正打算為工業(yè)的廣泛應(yīng)用而開(kāi)發(fā)更為先進(jìn)的系統(tǒng)（ Gao et al.,2021）。 該領(lǐng)域的研究要比工業(yè)應(yīng)用要重要得多。為了實(shí)際的工業(yè)應(yīng)用， 應(yīng)該強(qiáng)化優(yōu)化研究。 多年來(lái)，低精度觸針式在線(xiàn)傳感器在工業(yè)領(lǐng)域中已經(jīng)得到廣泛應(yīng)用的（ Gao,1998）。使用高精度非接觸式的光學(xué)傳感器（ Gao et al.,2021）確實(shí)是一個(gè)值 得研究的方向。 測(cè)量得到得輪廓和相應(yīng)的位置信息 yn(x,z)均有一臺(tái) PC機(jī)收集（ Gao et al.,2021,2021）。該系統(tǒng)已經(jīng)采用諸如阻尼和移動(dòng)平均數(shù)技術(shù)來(lái)降低測(cè)量誤差（ Gao et al.,2021,2021）。在磨床上實(shí)驗(yàn)時(shí)已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了 微米的測(cè)量誤差精度 （ Gao et al.,2021,2021） 。 在平面磨削磨削中，由于最初的表面輪廓誤差和工件裝夾的不重合誤差，加工往往以 工件表濟(jì)南大學(xué)畢業(yè) 論文 外文資料翻譯 11 面的部分移除開(kāi)始（圖 1）。這個(gè)在平面磨削中是常見(jiàn)問(wèn)題。這個(gè)問(wèn)題在之前的模型研究中已經(jīng)遇到過(guò)， 在加工過(guò)程輪廓精度檢測(cè)產(chǎn)生了很大的誤差。 部分移除意味著僅僅在沿著 x方向的一部分加工路徑上發(fā)生材料移除（圖 1）。對(duì)于路徑中其他的部分而言砂輪與工件之間沒(méi)有交合處。經(jīng)過(guò)一定的部分移除之后，緊隨其后的是完全移除，而此時(shí)砂輪與工件在整個(gè)磨削過(guò)程中均接觸。 為了研究局部移除階段，提出了一種新的尺寸縮減模型。 一種通用的尺寸縮減模型 (x,z)已經(jīng)建立起來(lái)了，如下： T(x,z)是磨削常量 其中 kw 是磨削力常量（ Huang and Gao,2021）。 濟(jì)南大學(xué)畢業(yè) 論文 外文資料翻譯 12 為了 精確評(píng)估形位誤差的模型，在加工之前工件的最初表面輪廓測(cè)量值作為 yom(x,z)，而且yog(x,z)=yom(x,z)。 在該項(xiàng)評(píng)估中表面形狀輪廓 yn(x,z)將被使用到。為了完全移除階段， n≥ nfg，使用公式（ 1）較容易確定 yn(x,z)。 在部分移除階段即 n＜ nfg,yom（公式 3）部分將在評(píng)估階段被用到。 在這兩部種情況里， yn(x,z)是通過(guò) g(x,z)由式 yn(x,z)=yo(x,z)(x,z)得到。而 g(x,z)由式 1得到。 實(shí)驗(yàn)表明，在磨削過(guò)程中的部分移除階段（圖 1a 和 b），砂輪和工件接觸時(shí)， g(x,z)在 x方向上為正值即 g(x,z)≥ 0，如果砂輪和工件不接觸則 g(x,z)在 x方向上為負(fù)值即 g(x,z)＜ 0。在完全移除磨削階段， g(x,z)在 x∈ [0,Lg]時(shí)總保持正值， Lg即為工件長(zhǎng)度（圖 1）。 同樣的，表面形狀輪廓 yng(x,z)理論形位誤差計(jì)算可以表述為 式（ 3）實(shí)際上是部分移除條 件模型，而完全移除條件模型將在公式（ 4）和（ 5）中給出。 nfg 磨削路徑參數(shù) nfg即完全移除磨削路徑可由尺寸縮減 g(x,z)決定，如下： 由上我們可以得到三個(gè)階段： 為了簡(jiǎn)化，平面輪廓值的波峰波谷值被用來(lái)估算形位誤差值。即： 濟(jì)南大學(xué)畢業(yè) 論文 外文資料翻譯 13 改進(jìn)型的離散系統(tǒng)模型和過(guò)程傳感技術(shù)已經(jīng)被用來(lái)解決部分移除和精度控制問(wèn)題。對(duì)于部分移除，完全移除以及電火花移除條件的模型已經(jīng)建立起來(lái)了。在部分移除階段的形位誤差評(píng)價(jià)正在研究中。實(shí)驗(yàn)發(fā) 現(xiàn)，所提到的模型中的參量即磨削常量能 夠反映加工條件包括材料性能。同樣得出磨削常量能夠表現(xiàn)加工能力。磨削常量越大意味著減縮尺寸下降。磨削常量的深入研究是有必要的。 為了精確估計(jì)磨削常量，提出了兩種方法。迭代法被認(rèn)為更合適更具收斂性。所提到的模型和過(guò)程傳感技術(shù)通過(guò)工件表面輪廓 yn(x,z0)，平均縮減尺寸 ，表面形位公差 Epvn以及法向磨削力 Fnn的實(shí)驗(yàn)得到驗(yàn)證。通過(guò)細(xì)致的檢驗(yàn)和對(duì)比研究，所提到的模型和過(guò)程傳感技術(shù)與現(xiàn)有模型相比可以提高精度高達(dá) ％到 23％ .除去無(wú)法用電壓測(cè)量法測(cè)量的磨削力之外，所有 在充分移除條件下的理論結(jié)果跟實(shí)驗(yàn)結(jié)果之間的相對(duì)誤差發(fā)現(xiàn)介于 ％到 ％，表明由過(guò)程傳感技術(shù)支持的系統(tǒng)模型提高了精度檢測(cè)水平。 該實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以為重要精密加工工藝的精度檢測(cè)，工藝設(shè)計(jì)和工藝條件監(jiān)測(cè)等方面的深入研究的提供參考。