超精密研磨（精选3篇）
超精密研磨 篇1
摘要：人们对光学系统的要求日益提高, 采用传统的球面镜光学系统已经很难达到系统的要求, 而非球面光学零件就能很好地改善这个问题。但是, 非球面零件制造工艺复杂, 单件生产周期长, 成本高, 这又制约了非球面零件应用的快速发展。因此, 探索一种高效、高精度、低成本的加工方法是非球面加工领域所追求的目标。
关键词：非球面,超精密,研磨
引言
非球面光学零件是一种非常重要的光学零件, 常用的有抛物面镜、双曲面镜、椭球面镜等。非球面光学零件可以获得球面光学零件无可比拟的良好的成像质量, 在光学系统中能够很好的矫正多种像差, 改善成像质量, 提高系统鉴别能力, 它能以一个或几个非球面零件代替多个球面零件, 从而简化仪器结构, 降低成本并有效的减轻仪器重量。非球面光学零件在军用和民用光电产品上的应用也很广泛, 如在摄影镜头和取景器、电视摄像管、变焦镜头、电影放影镜头、卫星红外望远镜、录像机镜头、录像和录音光盘读出头、条形码读出头、光纤通信的光纤接头、医疗仪器等中。
一、国外非球面零件的超精密加工技术的现状
80年代以来, 出现了许多种新的非球面超精密加工技术, 主要有:计算机数控单点金刚石车削技术、计算机数控磨削技术、计算机数控离子束成形技术、计算机数控超精密抛光技术和非球面复印技术等, 这些加工方法, 基本上解决了各种非球面镜加工中所存在的问题。前四种方法运用了数控技术, 均具有加工精度较高等特点, 适于批量生产。但非球面零件加工周期长、成本高, 使得非球面光学零件的价格昂贵, 从而导致非球面光学零件应用受到很大的限制。所以, 人们一直在不断探索非球面零件的加工新方法。目前, 现有非球面加工方法有几十种, 可是没有一种方法能在加工种类、尺寸范围、精度和效率等方面均较理想, 更没有一种方法能够普遍推广应用。
国外许多公司己将超精密车削、磨削、研磨以及抛光加工集成为一体, 并且研制出超精密复合加工系统, 如Rank Pneumo公司生产的Nanoform300、Nanoform250、CUPE研制的Nanocentre、日本的AHN60―3D、ULP一100A (H) 都具有复合加工功能, 这样可以使非球面零件的加工更加灵活。
二、我国非球面零件超精密加工技术的现状
我国从80年代初才开始超精密加工技术的研究, 比国外整整落后了20年。近年来, 该项工作开展较好的单位有北京机床研究所、中国航空精密机械研究所、哈尔滨工业大学、中科院长春光机所应用光学重点实验室等。为更好的开展对此项超精密加工技术的研究, 国防科工委于1995年在中国航空精密机械研究所首先建立了国内第一个从事超精密加工技术研究的重点实验室。
三、研究的意义
光学非球面零件因具有成像质量好等优点。在军事、航天、气象等领域得到了广泛应用, 它的加工越来越受到人们的关注, 但加工技术一直是制约其广泛应用的关键因素。传统的加工方法普遍存在着加工效率低、成本高、精度有限等不足。如采用传统的修带研磨法加工一个非球面镜需要几个工作日, 甚至更长时间, 且对操作者的技能要求较高, 加工成本也大大提高。随着科技的进步, 对机械加工精度提出了越来越高的要求, 从而促进了以提高加工精度为目的的精密加工技术的发展, 而相应的精密加工技术水平的提高又有力地推动了各种新技术的发展。随着航空航天、精密机械、精密仪表等领域中高精度产品不断增加, 对成本低、灵活、有柔性的精密加工工艺装备需求迅猛增加。精密、超精密加工技术是60年代应电子、计算机、宇航及激光等尖端技术的发展需要而发展起来的机械制造新工艺。
传统的光学系统中一般都采用球面和平面廓形的零件, 这些廓形零件的加工和检测技术都较为成熟。但随着科技的进步, 人们对光学系统的要求日益提高, 如成像质量好, 光能损失少, 体积小, 重量轻等。采用传统的球面镜光学系统很难达到上述的要求。而非球面光学零件就能很好地解决这些问题。在光学系统中应用非球面元件既可以减少光学零件的数量, 简化系统结构, 减小系统尺寸及质量, 减少光能损失, 又可以消除像差, 提高光学系统的成像质量。非球面能够用来提高更大的光圈, 更宽的视角, 减少重量和体积。如采用非球面镜来实现广角照明;在定向照明中使用抛物面反光镜;在电视投影仪器中利用非球面镜来校正球差;在放映系统中、光谱仪器、医疗器械以及日常生活中都有应用。
四、结语
随着非球面光学零件应用领域的不断拓宽, 非球面的加工技术从精度和效率上还不能满足当前的需求, 它主要体现在非球面零件制造工艺复杂, 单件生产周期长, 成本高, 这制约了非球面零件应用的快速发展, 因此, 探索一种高精度、高效率、低成本的加工方法是非球面加工领域所追求的目标。将现有的平面和球面高速研磨技术推广应用到非球面加工上, 完善磨具弯曲成形法, 将其用来高速研磨加工非球面是一种新型的非球面高效研磨的方向。
参考文献
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超精密研磨 篇2
随着现代机械工业、航空航天工业的飞速发展,对作为基础部件的轴承的性能提出了越来越高的要求。轴承精密球是滚动轴承中的关键零件,其精度(球形偏差和表面粗糙度)直接影响轴承的运动精度及寿命,进而影响仪器、设备功能的发挥。此外,精密球是圆度仪、陀螺和精密测量中的重要元件,并常作为精密测量(如主轴回转速度)的基准。因此,精密球无论是在现代工业领域还是在精密工程领域都占有十分重要的地位。
精密球目前主要采用研磨方法加工。在精密球的研磨加工过程中,由于受到磨削力、系统振动等因素,在精密球表面易形成微裂纹等缺陷,对精密球的球形误差、表面粗糙度等精度的提高均有影响[1]。
球体在研磨加工过程中,若球表面上有缺陷,则在通过轴承内外圈时将产生振动,并将振动传递给内外圈,使之同样产生振动。通过对精密球体研磨过程中振动信号和噪声信号的检测,可以及时了解球体研磨的状态以及各种工艺参数和环境因素对信号的影响,建立信号与球度之间的关系。
本研究主要探讨精密球研究加工中的振动信号的检测与分析。
1振动信号测试系统
1.1测试系统的总体结构
精密球体研磨加工的振动检测系统主要由硬件和软件两部分组成,硬件部分主要实现信号的采集,软件部分主要实现对信号的分析和处理[2]。
设计的振动信号采集系统,如图1所示。该系统可根据用户的需要选择硬件,以LabVIEW作为开发平台,编制特定的软件和显示界面,并驱动硬件采集数据[3]。由此,由加速度传感器、信号调理电路、数据采集卡、计算机和虚拟软件等组成了基于虚拟仪器的磨削振动信号测试系统[4]。
研磨盘上的振动信号经加速度传感器拾振,信号调理电路将振动信号转变为电压信号,并经滤波、放大后传递到数据采集卡。计算机通过数据采集卡实现对振动信号的采集,然后用基于LabVIEW的振动监测软件实现对振动信号的分析处理、显示和数据存储[5]。其中,信号调理电路主要包括信号的放大、滤波等。信号采集到计算机上,利用LabVIEW[6]虚拟软件对信号进行处理,分析信号的时域图和频谱图。
1.2实验装置
本实验是在浙江工业大学精密工程研究中心所开发的Nanopoli-100行星式球体研磨实验装置上进行的。行星式球体研磨实验装置,如图2所示。该装置主由:机体、主副运动的驱动及传动机构、控制台、调速器、研磨盘、修整环、爪盘、保持架、加压装置等组成。
实验中,笔者选用压电加速度计传感器、电荷放大电路和宝创源BC6622数据采集卡进行信号采集,选用ϕ10 mm钢球为加工对象,采用每4个钢球为1组进行振动信号的测试,用粘合胶把加速度计粘贴在被测对象上。通过加速度计传感器对振动信号进行测量,利用电缆、电荷放大器和数据采集卡将信号采集到计算机中,利用LabVIEW等虚拟软件对信号进行分析和处理,得到最终的实验数据。
1.3振动源分析
球体研磨过程中的振动是一种复杂的物理现象,引起研磨加工的振动源主要有:电机振动(主要是保持架引起的振动)、研磨盘振动、载荷和研磨球接触引起的振动以及研磨球切削过程中的自身振动等[7]。因此,在检测球体研磨的振动信号时,主要考虑电机振动(保持架转速)、研磨盘转速、加工载荷以及磨球圆度等因素对球体研磨过程中的振动信号的影响。
2振动测试与分析
2.1时域分析
所谓信号的时域分析就是求取信号在时域中的特征参数(如幅值、均值、方差等)及波形在不同时刻的相似性和关联性[8]。精密球的研磨都要经过由粗到精多道工序完成。通常,研磨工序可分为粗研、半精研、精研和超精研。在粗磨加工工序中,不同电机转速(保持架转速)下加工精密球的振动信号,如图3所示。从中可以发现:①研磨加工过程中的球体振动信号比较杂乱。信号杂乱是因为陶瓷球的球形误差较大,在整个研磨加工的瞬间并不是所有陶瓷球都参与研磨,而只有部分球参与加工,因此,在此振动的频率随时发生变化,信号表现为无规律性。②当电机转速增大时,磨粒切入材料较深,切削量大,反映出振动信号的振幅变大。同样地,粗磨加工时,如果增大研磨盘的转速,精密球在研磨加工过程中的振动信号幅度也会变大。
2.2频域分析
时域中的信号并不能准确地反映各个频段的振动情况。因此,笔者通过傅立叶变换将振动时域信号转变成频域信号作进一步分析。试验装置在保持架转速时空转(不研磨陶瓷球)时的振动频谱,如图4所示。可见整个工艺系统的振动值小,表明装置稳定,刚性好,适于加工高精度的陶瓷球。
(1)电机转速对加工振动的影响。
精密球研磨转速主要由电机转速(保持架转速)和研磨盘转速两部分组成。在粗磨加工过程中,研磨转速对加工振动的影响主要都是正面影响。粗磨加工阶段,研磨盘不转动,电机转速(保持架转速)分别为25 r/min和40 r/min下检测到所得的振动信号的频谱图,如图5所示。从中可以看出,在粗磨阶段,随着保持架转速的提高,检测点的振动信号逐渐增大。其中,在图5(b)中,在频率1 800 Hz附近有一尖峰出现,这表明该球体表面某点处有缺陷,此时系统刚好检测到该点的振动信号。
(2)研磨盘转速对加工振动的影响。
除了电机转速能改变球体的振动大小外,研磨盘和球体的接触程度以及研磨盘转速也对振动大小信号有影响。在保持电机转速(保持架转速)为40 r/min时,研磨盘转速分别为20 r/min和30 r/min时振动信号的频谱图,如图6所示。由此可见,在粗磨加工阶段,研磨盘转速对球体研磨过程中的振动信号也会有正面影响,随着研磨盘转速的提高,振动信号逐步增强。
(3)研磨压力对加工振动的影响。
在研磨加工的粗磨阶段,在球体表面加上一定的载荷后,振动信号也会发生比较明显的变化。粗磨加工阶段,不同研磨压力下,检测点振动信号的频谱图,如图7所示。从中看到:随着研磨压力的逐步增大,精密球的加工去处量增大,信号振幅增大,信号主要表现为受迫振动。
2.3不同研磨阶段的加工振动
通过实验发现,在刚球研磨的不同阶段,即粗磨、精磨等不同阶段,振动信号会随着刚球圆度的变化发生改变。随着加工的进行,陶瓷球研磨引起的振动信号的频率逐渐增大,这与陶瓷球的球度变化相一致。
在研磨的粗磨阶段,由于刚球的圆度性较差,有较多的韧带,使得研磨盘和刚球的接触面比较大,导致刚球在研磨过程中产生的振动和噪声比较明显,振动波形表现为基波加几组峰值很高的、急速窜动的、时有时无的脉冲;在研磨的后期阶段,由于刚球的圆度性变好,研磨盘和刚球的接触面相对较小,球体在研磨过程中产生的噪声和振动信号相对就比较小,精密球自身的振动信号就比较不明显,振动波形主要表现为保持架和研磨盘自身转动引起的振动。这时,提高研磨盘转速、电机转速和载荷压力时,对振动信号的影响就比较有限。
3结束语
精密球的加工精度可以通过对研磨加工过程中振动信号的监测来控制。本研究研制的振动信号采集和分析处理系统,实现了多测点、分布式振动场数据测量与动态信号分析处理。从时域、频域等多个角度的分析表明,在精密球研磨加工过程中,精密球研磨加工中的振动幅值与研磨压力、研磨转速等因素有关;通过对研磨振动的测量、分析,可以有效地对精密球研磨加工过程进行监测与控制,能够生产出高精度的精密球。
摘要：由于轴承精密球的精度直接影响轴承的运动精度及寿命,利用加速度计传感器、数据采集卡和LabVIEW,设计了一套测试振动信号的检测设备,对精密球在研磨加工过程中产生的振动信号进行了测试,从时域、频域等多个角度进行了分析论证。分析结果表明,利用精密球体研磨加工中产生的振动信号能有效地监控整个研磨加工过程,并能实时地反映球体研磨的状态和精度。
关键词：精密球,研磨,振动,检测
参考文献
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超精密研磨 篇3
一直以来, 精密球体的研磨加工技术只是一种实用技术。40多年前, Ido[1,2]与其合作者率先对球体的研磨加工展开了研究, 讨论了钢球在研磨过程中V型槽的形状、研磨盘的材料、研磨液及加工载荷对材料去除率和球度的影响。近年来, 精密球体, 特别是精密陶瓷球的研磨加工引起了越来越多学者的关注, 并取得了积极的成果, 推动了精密球研磨技术的发展。目前精密球体主要采用研磨方法加工, 研磨质量和研磨效率由研磨方式及相应的工艺参数 (研具、研磨液、加工载荷等) 共同决定[3]。因受到传统研磨方式的制约, 其加工时间漫长, 成本较高。
本研究主要从精密硬质合金球体的双转盘研磨机理出发, 阐明各研磨参数与研磨效率及精度的关系, 并提出切实可行的控制方法。
1 研磨机加工装置的机械构成
双转盘研磨装置采用上、下研磨盘硬质合金球构成三点接触进行研磨, 其中上研磨盘在加工过程中周向固定 (不旋转) , 下端面为研磨面, 加压装置通过上研磨盘对陶瓷球坯施加加工载荷。下研磨盘组件由内外两个盘组成, 分别由两个电机通过传动装置驱动, 可独立转动, 下研磨盘内盘外侧的锥面研磨面和下研磨盘外盘内侧的锥形研磨面构成V形槽结构。由于存在两个驱动, 可以实现球坯两个自由度方向的旋转, 通过控制下研磨盘外盘和下研磨盘内盘的转速组合, 可使研磨过程中球坯的自转轴与公转轴的相对方位发生变化, 实现球坯“相对方位可变”的成球运动, 使球坯表面获得均匀研磨, 快速修正球形偏差, 从而提高加工精度与加工效率, 其研磨机的核心部分结构示意图如图1所示。
满足该研磨设备需要的控制系统主要包括以下几个方面:
(1) 保证硬质合金球充分自转, 以形成球坯“相对方位可变”的成球运动, 故需要下研磨组件的内外研磨盘要按照一定速度变化规律旋转, 且要求超高的转速控制精度。为了实现研磨盘按一定的速度变化曲线运转, 下研磨组件采用交流伺服电机通过同步带传动机构驱动, 且采用光栅测速装置实时检测研磨盘的转速。
(2) 对球坯进行磨削和积压, 需精确控制加工压力, 故采用电磁比例控制[4,5]及精密压力传感系统。
2 控制系统总体结构
为了保证加工余量、加工精度和加工稳定性, 对研磨盘的控制系统有以下要求:
(1) 通过人机界面设定转速和压力参数, 且可以分段存储。通过预先的转速设定, 将连续变化的转速曲线离散成若干个小段来运行, 可以在加工过程中使研磨盘的转速按照设想的速度变化曲线变化, 从一种转速自动变化到另一种转速。
(2) 为了保证加工余量去除的一致性, 必须将研磨盘总转数控制在一定的精度范围内, 以保证加工路径 (去除余量与加工路径长度成正比) 的总误差一致。
(3) 为了避免速度变化过大对硬质合金球造成的冲击损伤, 保证加工质量, 需采用“低速启动—无级提速—变速或者恒速加工—低速停止”的研磨盘速度控制模式。
(4) 电磁比例控制及精密压力传感系统, 实现加工压力的精确过程控制。
(5) 为了排除操作人员人为因素对加工质量的影响, 采用数据存储系统, 并将各个参数方案存储, 针对不同的工序可随时调用, 进而保证稳定一致的加工质量。
针对以上要求, 控制系统主要由嵌入式微处理器ATmega128、图形化人机界面、电源模块、16位AD421串行D/A转换器、AD8551轨对轨信号放大器、恒流输出电路、电磁比例阀、精密压力传感器、交流伺服电机以及光栅测速装置等构成。其总体结构框图如图2所示。
该控制系统主要由3部分组成:①通过嵌入式处理器以及高精度光栅传感器组成的闭环控制内盘以及外盘的转速;②通过AD421串行D/A转换器、电磁比例阀以及精密压力传感器组成的上磨盘压力控制系统;③TFT真彩屏人机界面, 可以输入参数、显示运行进程等。
3 主要电路设计
3.1 嵌入式主控制处理器
ATMEL公司出品的嵌入式处理器ATmega128[6]是一款采用低功耗CMOS工艺生产的新型高档嵌入式处理器, 它的芯片内部集成了超大Flash存储器和丰富强大的硬件接口电路, 在同系列中性能最强大, 可以满足高精度控制的要求。
3.2 人机界面模块
本装置采用大屏TFT真彩屏液晶显示模块来实现各种功能的显示以及一些参数设定。由于ATmega128单片机不能直接驱动TFT真彩屏液晶显示器, 故本系统采用TFT真彩屏液晶显示智能终端, 通过RS232串口按照一定协议与嵌入式处理器ATmega128通讯, 来显示需显示的内容。由于该显示智能终端采用串口通讯方式, 故简化了系统对液晶显示器的控制。
系统中设有多个功能键, 键盘采用矩阵形式排列, 按键设置在行列式交点上, 通过键盘可实现人机对话, 并向装置系统输入相关参数和控制命令, 其原理图如图3所示。
3.3 速度控制模块
主电机采用的是交流伺服电机, 通过减速机构来驱动内外研磨盘, 其速度的精确控制采用双闭环控制的方法:内环为锁相环, 使电路中产生精确的脉冲信号对交流伺服电机进行高精度位置控制;外环选用了光栅编码器作位置传感单元, 将交流伺服电机转轴的角位移变换成电脉冲信号[7], 以供嵌入式处理器对研磨盘转角位置进行跟踪控制。速度控制框图如图4所示。
3.4 压力控制模块
上磨盘液压加载压力控制模块采用电磁比例阀进行精确压力控制[8]。电磁比例阀是采用比例电磁铁, 并根据电磁原理设计的控制阀, 它能连续控制液压阀阀芯的位置, 进而实现连续控制系统压力、方向和流量, 阀芯的位置与输入电信号 (电流) 的大小成比例。所以说输入信号的稳定性和精度直接影响了电磁比例阀对流体的控制精度。
上磨盘压力加载系统主要由嵌入式处理器ATmega128、AD421 D/A转换器、AD8551信号放大器、恒流输出电路、电磁比例阀和精密压力传感器构成, ATmega128输出的数字信号由AD421 D/A转换器转换为电压信号, 然后用AD8551对信号进行放大。AD8551放大后的信号经过恒流电路转换为电流信号, 输出的电流信号输入电磁比例阀的信号端以实现电磁比例阀的比例控制, 同时液压输出口通过压力传感器不断反馈当前压力给ATmega128, 通过输出压力与不断反馈压力的闭环控制来达到精确压力控制。
4 控制系统软件设计
本研究的软件模块主要包括:初始化模块、主程序模块、子程序模块, 其中各模块又包括若干子模块, 其组织结构如图6所示。同时为达到最佳地利用ATmega128芯片软硬件资源的目的, 控制程序采用C语言和汇编语言混合编程的方法实现。
主程序模块主要是调用初始化子程序对系统进行初始化, 并启动系统中的定时器、中断、开放性系统配置, 然后进入循环体以进行任务的管理和调度;初始化模块主要通过设置各寄存器, 使系统按照设计要求正常工作, 并对各种变量进行初始化;子程序模块是整个软件设计的核心模块, 主要实现了整个控制系统各个参数的精确控制。
5 实验结果及分析
5.1 研磨盘总圈数控制精度检测
实验测试表明, 内外研磨盘最低稳定转速达2 r/min, 最高额定转速为200 r/min, 可在整个速度范围内实现调速。通过光栅计数及倍频可实现对抛光盘位置的精确控制, 抛光盘在不同运行速度下, 总转数定位的实测曲线如图7所示 (测试总转数为5 000 r) 。由曲线可见, 内外研磨盘运转的定位精度完全可以控制在±0.3 °以内。
5.2 运行模式检测
该实验设备采用“低速起动—无级提速—恒速加工—低速停止”的研磨盘速度控制模式。实测的研磨盘最高转速为200 r/min时的速度变化曲线如图8所示, 可见交流伺服电机开始按固定转速5 r/min匀速转动5 r, 而后按6 r/s2加速度加速, 到达设定最大转速200 r/min时稳定运行, 到达预定减速值时按6 r/s2减速, 最后仍以5 r/min的速度运行5 r, 到达预定总转数后停止。
5.3 磨盘端面跳动检测
内外研磨盘的跳动量将直接影响到研磨质量和研磨过程的平稳性, 因此必须对此进行严格控制。在主轴转速为5 r/min的条件下, 本研究利用千分尺检测标准抛光盘的端面跳动量, 检测结果表明, 跳动量在±0.01 mm以内, 符合设计和加工的需要。
5.4 研磨盘压力检测
研磨盘对硬质合金球的压力直接影响到加工球度的一致性, 因此必须对压力进行严格控制, 研磨盘设定压力与实测压力偏差曲线如图9所示, 由曲线可见, 压力偏差控制在±0.5%范围内。
6 结束语
本研究采用了先进的控制系统, 使研磨盘能按指定的速度曲线运行 (其转速在加工过程中是不断变化的) , 可针对不同的工件和加工工序采用不同的速度曲线。由于该研磨方式下球坯自转轴的变化是可控的, 可以实现自动化, 从而排除了人为因素的影响, 提高了加工的一致性和稳定性, 实现了理想的成球运动, 以及加工的自动化。
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