摘要：針對木質(zhì)門鉸鏈裝配孔槽數(shù)控加工精度要求，從影響加工精度主要因素分析，熱變形誤差是影響機床加工精度的關(guān)鍵因素。建立了基于遺傳算法的木質(zhì)門鉸鏈裝配孔槽數(shù)控加工機床熱變形誤差補償模型，以期獲得較高精度的木質(zhì)門鉸鏈裝配孔槽的數(shù)控加工。

木質(zhì)門上用于裝配鉸鏈的孔槽，傳統(tǒng)上是用鏤銑機、木工鉆銑機等通用設(shè)備加工的，效率低、設(shè)備調(diào)節(jié)難度大、生產(chǎn)互換性差、加工精度低。采用數(shù)控加工方法，以鉸鏈裝配孔槽數(shù)控加工專用機床，通過多頭鉆銑裝置，利用鉸鏈槽數(shù)控加工圖形參數(shù)驅(qū)動，實現(xiàn)鉸鏈裝配孔槽的加工是現(xiàn)代先進的加工技術(shù)。影響其加工精度的主要因素是機床本身品質(zhì)即機床的加工能力，在保證加工參數(shù)滿足加工精度要求的情況下，機床加工能力的誤差主要來源于機床的熱變形誤差（約占機床總誤差的28%），因此，研究這種機床的熱誤差補償方法，是提高木質(zhì)門鉸鏈裝配孔槽加工精度的關(guān)鍵因素。

1、木質(zhì)門鉸鏈裝配孔槽的數(shù)控加工

木質(zhì)門鉸鏈裝配孔槽數(shù)控加工機床如圖1所示，該機床由東北林業(yè)大學(xué)研發(fā)設(shè)計、制造，在數(shù)控裝置的控制下，實現(xiàn)主軸總成1在的X、Z向移動,并在氣缸的帶動下實現(xiàn)Y向移動。該機床采用高精度伺服電機驅(qū)動，響應(yīng)速度高，在控制器內(nèi)集成了各種木質(zhì)門鉸鏈裝配孔槽的形狀，通過圖形對話的方式，修改其尺寸參數(shù)，即可加工所需的尺寸，該機不僅可以加工鉸鏈裝配孔槽，還可以加工鎖槽、鎖孔及把手孔槽。木質(zhì)門鉸鏈裝配孔槽形狀的仿真模型如圖2所示。

2、加工精度的誤差補償方法

在數(shù)控機床上加工工件，工件的加工精度是由刀具與工件之間的相對位移誤差決定，其影響因素很多，而機床的幾何誤差、熱變形誤差、載荷誤差以及刀具誤差是影響加工精度的主要因素。提高加工精度的方法主要有誤差防止法（硬件方法）和誤差補償法（軟件方法）。誤差防止法是提高機床部件的加工、裝配精度，減小載荷變化造成的誤差以及恒溫的工作環(huán)境等。誤差補償法則是充分利用數(shù)控機床的可編程、智能性，通過對誤差的補償而達到“低精度機床加工高精度工件”的效果[1]。隨著數(shù)控技術(shù)的飛速發(fā)展，數(shù)控機床的專業(yè)化、標準化的程度越來越高，尤其是數(shù)控機床的智能化，在機床硬件條件一定的情況下，利用軟件實現(xiàn)其誤差補償，可大幅提高數(shù)控機床的加工精度。對于木質(zhì)門鉸鏈裝配孔槽數(shù)控加工機床，可借鑒國內(nèi)外其他木工機械的數(shù)控系統(tǒng)的開發(fā)模式，采用技術(shù)相對成熟的軟件公司的系統(tǒng)（如發(fā)那科、海德漢、西門子，國內(nèi)的華中I、II、世紀星等），增加誤差補償?shù)墓δ?，充分利用這種功能，實現(xiàn)木質(zhì)門鉸鏈裝配孔槽數(shù)控加工的加工精度。

3、熱誤差補償建模方法

由于數(shù)控機床在工作中不可避免地會發(fā)熱，特別是由于其內(nèi)部熱源多，在傳熱和散熱時溫度梯度的變化，切削液和環(huán)境溫度的影響，由間隙、摩擦等引起的熱滯現(xiàn)象，以及接觸面復(fù)雜熱應(yīng)力引起的變形等，會導(dǎo)致熱誤差表現(xiàn)為時滯、時變、多方向耦合及綜合非線性特征，增加了用數(shù)學(xué)模型描述熱誤差的復(fù)雜性及誤差補償?shù)牟淮_定性。因此，國內(nèi)外在數(shù)控機床熱誤差補償與控制方面進行了大量研究，有些技術(shù)已經(jīng)應(yīng)用于高速高精度數(shù)控機床。

本文的木質(zhì)門鉸鏈裝配孔槽數(shù)控加工的熱誤差補償建模方法建立在遺傳算法的基礎(chǔ)上。遺傳算法是模擬自然界生物進化過程與機制求解極值問題的一類自組織、自適應(yīng)人工智能技術(shù)，其基本思想是模擬自然界遺傳機制和生物進化論而形成的一種過程搜索最優(yōu)解的算法，具有堅實的生物學(xué)基礎(chǔ)，它能解決任何種類實際問題，具有廣泛的應(yīng)用價值，適用于解決復(fù)雜的非線性和多維空間尋優(yōu)問題。遺傳算法產(chǎn)生于20世紀50年代，遺傳算法的雛形是利用進化的思想開發(fā)工程問題的優(yōu)化工具；60年代初期，利用生物變異的思想來隨機改變風(fēng)洞等試驗設(shè)計中描述物體形狀的參數(shù)值，獲得了較好的效果；60年代中期，發(fā)展到串編碼技術(shù)，并把交叉作為主要的遺傳操作；70年代中期，正式提出遺傳算法，并將該算法用于自然和人工自適應(yīng)行為研究中，到20世紀80年代中期，遺傳算法發(fā)展到計算智能研究的新方向。采用遺傳算法建立木質(zhì)門鉸鏈裝配孔槽數(shù)控加工機床的熱誤差補償模型，首先要建立目標函數(shù)，通過熱誤差補償關(guān)鍵點的優(yōu)化，獲得目標函數(shù)未知系數(shù)的最優(yōu)解，由于解的系數(shù)一般為小數(shù)形式，所以要利用實數(shù)編碼增大搜索空間提高精度。遺傳算法熱誤差模型可寫為如下形式:

式(2)中：Esimu和Ereal分別為計算熱誤差和實際誤差向量。

實際補償過程中，熱誤差補償點分布在圖1木質(zhì)門鉸鏈裝配孔槽數(shù)控加工機床的主軸總成1的刀具機構(gòu)上。選取熱誤差補償?shù)年P(guān)鍵點進行優(yōu)化，選擇關(guān)鍵點，然后求解即可得到相應(yīng)的軸向、徑向熱誤差補償?shù)难a償模型解析式。

4、結(jié)語

利用木質(zhì)門鉸鏈裝配孔槽數(shù)控加工機床加工鉸鏈孔槽是在保證切削參數(shù)、切削用量等加工參數(shù)的前提下，利用熱誤差補償技術(shù)對主軸和刀具間的熱變形誤差進行實時修正，提高機床的加工精度，是高精度、高效率木質(zhì)門鉸鏈裝配孔槽數(shù)控加工專用機床的關(guān)鍵技術(shù)。