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      基于機(jī)床維修決策的加工主軸精度控制技術(shù)研究

      2020-08-24 09:40:20劉高鵬
      模具工業(yè) 2020年8期
      關(guān)鍵詞:錐孔基準(zhǔn)面磨床

      劉高鵬,趙 琳

      (桂林理工大學(xué) 南寧分校,廣西 南寧 530001)

      0 引言

      主軸作為機(jī)床的關(guān)鍵組成部分,直接參與機(jī)床對(duì)零件的加工,其精度對(duì)切削穩(wěn)定性和加工精度有較大的影響,直接決定所加工零件質(zhì)量的好壞?,F(xiàn)代機(jī)床正朝著高速、高性能方向發(fā)展,結(jié)構(gòu)越來越復(fù)雜,高速加工可以降低切削力、改善加工零件的表面粗糙度,已成為提高加工效率與加工質(zhì)量的有效措施。為保證機(jī)床對(duì)零件的加工精度,對(duì)主軸精度的要求越來越高。

      目前對(duì)主軸的研究集中在對(duì)主軸單元或主軸系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)及對(duì)主軸誤差的分析,針對(duì)加工主軸過程中精度控制問題研究較少?,F(xiàn)提出將灰色系統(tǒng)理論應(yīng)用到加工主軸過程中,通過灰色關(guān)聯(lián)分析法對(duì)加工主軸過程中不同部位精度進(jìn)行分析,找出關(guān)鍵質(zhì)量控制點(diǎn),然后對(duì)加工主軸零件關(guān)鍵部位的機(jī)床維修時(shí)間進(jìn)行灰色建模,檢驗(yàn)?zāi)P途?,在確定模型可用之后預(yù)測(cè)機(jī)床下次維修時(shí)間。通過提前維修保證機(jī)床的加工精度,從而保證加工的主軸精度。

      1 灰色關(guān)聯(lián)分析法

      灰色關(guān)聯(lián)分析法是一種新的灰色系統(tǒng)理論分析方法,其基本任務(wù)是尋求系統(tǒng)中各因素間的主要關(guān)系,找出影響目標(biāo)值的重要因素,掌握事物的主要特征,促進(jìn)和引導(dǎo)系統(tǒng)迅速有效地發(fā)展。灰色關(guān)聯(lián)分析是用關(guān)聯(lián)度大小描述事物之間、因素之間關(guān)聯(lián)程度的一種定量化的方法。運(yùn)用該方法可以較好地彌補(bǔ)傳統(tǒng)數(shù)理統(tǒng)計(jì)分析法及模糊理論處理方法的不足。

      2 加工主軸過程中精度的灰色關(guān)聯(lián)分析

      加工主軸過程中,每道工序的精度不僅受操作人員和加工設(shè)備的影響,同時(shí)也受其定位基準(zhǔn)面精度(即上道工序)的影響。當(dāng)存在互為基準(zhǔn)時(shí),其影響方式和影響規(guī)律變得更復(fù)雜,基于部分信息已知、部分信息未知和影響規(guī)律的不確定性,可將其看成一個(gè)灰色系統(tǒng)。

      2.1 主軸結(jié)構(gòu)及精度分析

      主軸作為機(jī)床中的重要部件,在其前端安裝刀具或被加工工件,用于切削加工,其性能直接影響機(jī)床的加工精度、加工零件的表面質(zhì)量和加工效率。

      圖1所示為某型號(hào)的車床主軸結(jié)構(gòu),為空心階梯軸。主軸內(nèi)孔用于通過長(zhǎng)的棒料或穿入鋼棒打出頂尖或通過氣動(dòng)、液壓或電氣夾緊裝置的管道、導(dǎo)線。主軸前端采用短錐法蘭式結(jié)構(gòu),用于安裝卡盤。主軸前端面和短錐面是主軸安裝卡盤的主要端面,其精度直接影響卡盤的安裝精度從而影響被加工工件的運(yùn)行精度。主軸采用兩支承結(jié)構(gòu),由前端軸向定位改為后端軸向定位,在錐度為1:12的2個(gè)圓錐面上安裝雙列圓柱滾子軸承,主軸支承對(duì)主軸的回轉(zhuǎn)精度及剛度影響較大,主軸軸承應(yīng)在無間隙條件下進(jìn)行運(yùn)轉(zhuǎn),2個(gè)圓錐面的精度直接影響軸承的支承精度,最終影響加工零件的精度。主軸錐孔作為加工主軸所有外圓面的定位基準(zhǔn),其精度影響整個(gè)主軸的精度。在精加工零件過程中,先以2個(gè)基準(zhǔn)面作為定位基準(zhǔn)半精磨錐孔,然后以錐孔為定位基準(zhǔn)精加工所有外圓端面(包括2個(gè)基準(zhǔn)面和1:12圓錐面),最后以2個(gè)基準(zhǔn)面定位精磨錐孔。精加工過程中,錐孔精度影響精加工零件外圓端面的精度,而2個(gè)基準(zhǔn)面與錐孔互為基準(zhǔn)面,基準(zhǔn)面的精度也對(duì)錐孔精度有直接影響。

      對(duì)主軸零件結(jié)構(gòu)和加工過程需要保證的精度進(jìn)行簡(jiǎn)單分析后,利用灰色關(guān)聯(lián)分析找到主軸零件加工過程中的關(guān)鍵質(zhì)量控制點(diǎn),然后根據(jù)主軸零件加工關(guān)鍵部位的設(shè)備的維修數(shù)據(jù),利用灰色關(guān)聯(lián)分析法建立加工過程設(shè)備維修時(shí)間的預(yù)測(cè)模型。

      圖1 主軸結(jié)構(gòu)

      2.2 加工主軸質(zhì)量控制點(diǎn)灰色關(guān)聯(lián)分析

      主軸徑向跳動(dòng)的大小是機(jī)床的一項(xiàng)綜合評(píng)價(jià)指標(biāo),是分析評(píng)定機(jī)床質(zhì)量的重要內(nèi)容。根據(jù)上述分析,現(xiàn)以上述型號(hào)主軸零件為例,利用灰色關(guān)聯(lián)分析法對(duì)其在加工過程中的精度進(jìn)行分析。表1所示是隨機(jī)抽取10根該型號(hào)主軸的不同部位檢測(cè)的徑向跳動(dòng)精度數(shù)據(jù),參考數(shù)據(jù)列為:

      該參考數(shù)據(jù)列即為主軸零件設(shè)計(jì)文件中對(duì)不同部位跳動(dòng)精度的最大規(guī)定值。

      表1 主軸零件不同部位徑向跳動(dòng)精度原始數(shù)據(jù) mm

      根據(jù)基準(zhǔn)面1、基準(zhǔn)面2、前端面、1∶12前錐度、1∶12后錐度、1∶4錐度、錐孔近端、錐孔遠(yuǎn)端的跳動(dòng)精度對(duì)主軸精度的關(guān)聯(lián)程度,可將得到的灰色關(guān)聯(lián)系數(shù)矩陣轉(zhuǎn)置后,利用矩陣即可求得上述8個(gè)跳動(dòng)精度與主軸精度的關(guān)聯(lián)度,根據(jù)關(guān)聯(lián)度可以找出與主軸精度關(guān)聯(lián)程度最大的關(guān)鍵部位精度。

      將上述得到的灰色關(guān)聯(lián)系數(shù)矩陣轉(zhuǎn)置得到新的關(guān)聯(lián)矩陣為:

      從關(guān)聯(lián)度序列可以看出,與主軸零件精度相關(guān)性最強(qiáng)的為錐孔(錐孔近端與錐孔遠(yuǎn)端)的跳動(dòng)精度,至此找到了加工主軸過程中的關(guān)鍵質(zhì)量控制點(diǎn),在加工主軸過程中要優(yōu)先保證錐孔的加工精度,這與上述分析相符,錐孔作為加工其他面的定位基準(zhǔn),其精度影響整個(gè)主軸零件的加工精度。以下利用灰色模型GM(1,1)對(duì)專門加工錐孔的磨床維修時(shí)間數(shù)據(jù)進(jìn)行建模分析,預(yù)測(cè)其維修所需的時(shí)間。

      3 加工設(shè)備維修決策的建模分析

      根據(jù)上述分析,要保證加工主軸零件的精度,需確保錐孔的加工精度。利用灰色關(guān)聯(lián)分析法對(duì)磨床維修時(shí)間進(jìn)行建模,預(yù)測(cè)下次需要維修的時(shí)間。這樣通過提前維修保證磨床加工精度,使磨削的錐孔滿足精度要求以保證加工主軸的精度,達(dá)到對(duì)加工主軸精度的關(guān)鍵質(zhì)量點(diǎn)的控制。

      3.1 灰色模型GM(1,1)

      GM(1,1)模型的建立過程如下。

      3.2 磨床維修時(shí)間的建模預(yù)測(cè)

      根據(jù)上述分析,以加工主軸錐孔的某型號(hào)磨床為例,X(0)=(754,726,681,610,500)為該磨床一段時(shí)間內(nèi)維修間隔時(shí)間數(shù)據(jù)(單位:h)。運(yùn)用上述理論對(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行建模。

      通過累加生成得X(1)=(754,1480,2161,2771,3271),對(duì)X(1)做緊鄰均值生成得到Z(1)=(z(1)(2),z(1)(3),z(1)(4),z(1)(5))=(1 117,1 820.5,2 466,3 021)。根據(jù)式(7)得到參數(shù)a,b的值為a=0.1 163;b=874.168 7。

      得到式(8)的響應(yīng)式為

      可以求出X(1)的模擬值(1)=(754,149 6.467 4,2 157.417 8,2 745.801 3,3 269.585 0);還原到X(0)的模擬值為(0)=(754,742.4 674,660.950 5,588.383 5,523.783 7)。

      根據(jù)步驟5得殘差序列e(0)=(0,-0.022 7,0.029 4,0.035 4,-0.047 6),平均殘差e(0)(avg)=(0+0.022 7+0.029 4+0.035 4+0.047 6)=0.027 0,模型精度p°=(1-0.027 0)×100%=97.30%。根據(jù)評(píng)審,當(dāng)模擬誤差小于0.05,即模型精度到達(dá)95%時(shí),表明該模型可行。因此,加工主軸零件錐孔的磨床維修時(shí)間可用該模型預(yù)測(cè)。

      利用上述GM(1,1)模型對(duì)該磨床的維修時(shí)間進(jìn)行預(yù)測(cè)。將k=5代入式(9)得(1)(6)=3 735.861 6,通過累減得(0)(6)=466.276 5,即下一次的維修時(shí)間在466.276 5 h之后。那么可以在下一次機(jī)床出現(xiàn)故障之前對(duì)機(jī)床進(jìn)行檢查維修,保證機(jī)床加工精度,使加工的錐孔精度滿足要求,達(dá)到對(duì)主軸關(guān)鍵質(zhì)量點(diǎn)的控制。

      4 結(jié)束語

      提出將灰色系統(tǒng)理論應(yīng)用到機(jī)床加工主軸過程中,對(duì)加工主軸過程中需要控制的精度進(jìn)行灰色關(guān)聯(lián)分析,找到主軸零件加工過程中的關(guān)鍵質(zhì)量控制點(diǎn)為錐孔精度。再針對(duì)加工錐孔的磨床,通過對(duì)磨床原始維修時(shí)間間隔數(shù)據(jù)進(jìn)行建模分析,通過模型精度判斷其可行性,利用模型對(duì)磨床下一次維修時(shí)間進(jìn)行預(yù)測(cè),只討論了與主軸精度關(guān)聯(lián)性最強(qiáng)的錐孔精度,對(duì)于主軸零件其他部位需要控制的精度,同樣可以利用上述理論進(jìn)行分析,為以后對(duì)加工主軸的研究提供參考。主軸不同部位精度之間的影響關(guān)系、加工過程的誤差傳遞及其對(duì)主軸的影響機(jī)理,是需要進(jìn)一步研究的問題。

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