气囊抛光（精选4篇）
气囊抛光 篇1
0 引言
随着现代工业对模具的要求越来越高, 复杂性越来越大, 模具自由曲面所占比例也逐渐增加。因此, 作为模具曲面加工的最后阶段技术—抛光, 显得更加重要。采用新型抛光技术不仅可以缩短加工时间, 而且可以有效地提高模具曲面的质量。气囊抛光技术就是上述的新型抛光技术之一。
2000年, 伦敦D.D.Walker[1,2,3]等人首次提出了应用于玻璃加工的气囊抛光技术, 该技术主要通过压力控制和路径规划来控制抛光效率和表面质量, 同时提出了进动抛光方式;该方式不仅能够改变抛光轨迹方向, 且能得到近似高斯分布的影响函数, 获得高品质的光滑加工表面。哈尔滨工业大学的高波、姚英学、张伟等人[4,5,6]在此基础上对气囊抛光进动方式进行了深入研究, 但仅限于应用于回转对称曲面的ρ-θ加工方式。浙江工业大学计时鸣等人[7,8,9,10]将气囊抛光技术应用于模具自由曲面, 利用六自由度机器人控制气囊抛光工具实现了模具自由曲面的自动化抛光。模具自由曲面大多数属于非回转对称曲面, 需采用X-Y加工方式, 且在抛光过程中, 气囊的中心轴线需时时跟踪自由曲面的法线变化, 并附加上进动功能。以上3个运动的合运动比较复杂, 控制要求比较高, 而六自由度机器人控制自由度数多, 精度高, 能有效地实现连续进动抛光功能。
本研究针对于六自由度机器人辅助气囊连续进动抛光特点, 对其运动模型及其仿真和实验进行研究, 为连续进动抛光功能的实现提供理论依据。
1 气囊连续进动抛光原理
气囊连续进动抛光原理如图1所示。气囊的旋转轴与模具型面接触中心法线成一角度θ, 气囊主运动可分为3个分运动: (1) 气囊绕旋转轴P以ω1高速旋转; (2) 气囊绕中心法线N, 以ω2角速度相对低速公转; (3) 气囊按指定的轨迹, 平行于气囊与模具型面的接触面, 以速度v进给运动。基于以上3个分运动, 可以得出以下几个关于进动的几何元素对应关系:
(1) 气囊球心O。在运动过程中, 气囊球心相对绝对坐标系只发生位置上的改变, 这是研究进动的基础点;
(2) 对称轴P。气囊旋转轴线, 通过气囊球心, 这是连续进动抛光的主要控制对象;
(3) 回转轴N。模具表面接触区域的法线, 通过气囊球心, 这是由模具表面的形貌决定的;
(4) 倾斜角θ。对称轴与回转轴之间的夹角, 在连续进动过程中, 该角度保持不变;
(5) 进给方向L。与对称轴、回转轴处于同一平面, 进给方向决定气囊的倾斜方向。
2 建立连续进动数学模型
2.1 定点进动数学模型
直接建立连续进动抛光的数学模型相对比较困难, 可先从定点进动开始研究。在气囊与模具表面接触时的气囊球心建立一个直角坐标系A{a, b, c}, c轴正向为模具表面接触区域的外法线方向, a轴正向为进给运动方向在模具表面接触区切平面内的投影方向, b轴由a轴和c轴右手螺旋定则确定, 为c轴正方向的单位向量。在坐标系A{a, b, c}中, 将单位向量 绕b轴旋转倾斜角θ, 得到基础偏转向量 , 再绕c轴旋转递增角α, 其中α=ω2×t, 这样就得到了坐标系A{a, b, c}中进动下的抛光工具新对称轴向量 , 定点进动分析示意图如图2所示。
本研究记单位向量 绕b轴旋转θ角的齐次坐标变换矩阵[11]为T1, 绕c轴旋转α角的齐次变换矩阵为T2:
由于T1和T2是始终相对于同一参考坐标系变换, 则齐次坐标变换矩阵T2左乘[12], 得到坐标系A{a, b, c}中进动下的抛光工具新对称轴向量 :
2.2 连续进动数学模型
在连续进动抛光过程中, 直角坐标系A{a, b, c}可看成固结于气囊抛光工具球心处的动坐标系, 静坐标系O{x, y, z}是以模具的某点为原点建立的坐标系, 如图3所示, 动坐标系A{a, b, c}相对静坐标系O{x, y, z}发生坐标平移和旋转变换。式 (4) 所求得的抛光工具的新轴线向量 是相对动坐标系, 需要将其转换到静坐标系O{x, y, z}。设对称轴向量 在动坐标系A{a, b, c}和静坐标系O{x, y, z}中的描述 和 具有关系:
式中: —坐标平移向量, 由气囊球心所在的位置决定;R—静坐标系到动坐标系的旋转变换矩阵, 由气囊的方位决定。
气囊中心轴的数据是由三维软件中的CAM模块导出, 即已知气囊球心坐标和向量c轴方向的单位向量 在坐标系O{x, y, z}中的描述分别为:
式中:β1, β1, β3— 与x轴、y轴和z轴的夹角, 且β3≤π/2。
由几何关系得动坐标系在静坐标系中的表示:
式中:γ—a轴的正向在xoy平面的投影与x轴正向之间的角度关系, 逆时针为正, 由进给方向决定。
坐标平移向量 , 可直接获得, 主要求取旋转变换矩阵R。本研究设从静坐标系O{x, y, z}经到动坐标系A{a, b, c}的旋转变换分为3步:绕静坐标系x轴旋转Lx角度;再绕静坐标系y轴旋转Ly角度, 得到当前相对坐标系O″, 最后绕相对坐标系O″的z″轴旋转Lz角度得到, 坐标系转换示意图如图4所示。
本研究设绕x轴旋转Lx角度的齐次坐标变换矩阵为T4, 绕y轴旋转Ly角度的齐次坐标变换矩阵为T5, 最后绕相对坐标系O″的z″轴旋转Lz角度的齐次坐标变换矩阵为T6, 表达式如下:
以上3个齐次坐标变换矩阵中, T4和T5是相对于静坐标系变换, 应该左乘;T6是相对于当前坐标系变换, 应当右乘, 得到总的变换矩阵T:
由坐标系变换可得到下列等式:
其中:
由式 (13, 14) 两个等式可以得出:
本研究将式 (15) 代入式 (12) 求得R, 再将R代入式 (5) , 得到静坐标系O{x, y, z}中进动下的抛光工具对称轴向量 , 结合进给速度v和公转速度ω2得到进给方向上每一点的球心坐标A和工具对称轴向量 , 最后将A和 输入到六自由度机器人中, 就能控制机器臂按照进动的需求运动。
3 运动空间的仿真与实验
运动空间的仿真与实验用于检验气囊连续进动抛光数学模型的正确性。在实际抛光中, 为了计算方便, 往往选择进给方向与静坐标系的x轴同向, 即γ=0。本研究设连续进动的倾斜角θ=20°, 进给运动v=5 mm/s, 公转速度ω2=5 r/min, 综合式 (1~15) , 利用Matlab软件分别绘制出气囊连续进动抛光加工平面和曲面时的各一条空间运动轨迹, 如图5 (b) 、5 (d) 所示。对应的xoy平面的投影图如图5 (a) 、5 (c) 所示。
从图5中分析可看出, 基于推导出的数学模型, 气囊抛光工具运动连续。
本研究在六自由度机器人辅助气囊抛光系统中进行直线连续进动的实验, 实验设备如图6 (a) 所示。本研究将铅笔固定于气囊抛光工具中, 两者的对称轴共线, 根据仿真条件, 调节铅笔高度, 使得铅笔尖到球心 (该实验系统已调节球心位置, 可以明确获取) 的距离为127 mm, 其他条件参照仿真条件, 实验结果如图6 (b) 所示。将其与图5 (a) 相比较可发现, 实验结果与仿真结果完全吻合, 进一步证明了连续进动数学模型的正确性。
A—对称轴P上距离球心127 mm距离处一点的运动轨迹;B—对称轴P的扫描空间;C—气囊球心的运动轨迹
4 结束语
由于气囊连续进动抛光运动的复杂性, 直接建立运动模型比较困难。本研究首先基于气囊进动抛光理论, 建立了气囊定点进动抛光的数学模型, 然后将气囊定点进动时的坐标系视为动坐标系, 工件上的某一坐标系视为静坐标系, 通过坐标系转换原理, 推导出了气囊连续进动抛光的数学模型。
本研究利用Matlab绘制了气囊连续进动抛光的运动空间, 其运动是连续的;在六自由度机器人辅助气囊抛光系统中进行直线连续进动的实验, 利用固定于气囊抛光工具上的铅笔绘制出直线连续进动时抛光工具中心轴上距离气囊球心127 mm的某点的运动轨迹, 和仿真结果完全吻合。
研究结果表明, 气囊连续进动抛光运动模型是正确的、可行的, 为进一步开展气囊连续进动抛光实验研究奠定了基础。
摘要：为了控制六自由度机器人实现气囊连续进动抛光功能, 建立了相应的运动数学模型。首先基于气囊连续进动抛光原理, 利用齐次坐标变换矩阵, 建立了气囊定点进动抛光的数学模型;在此基础上, 根据气囊连续进动要求, 应用坐标系转换原理, 推导了气囊连续进动抛光的数学模型;通过Matlab仿真绘制了气囊连续进动抛光的运动空间, 并在六自由度机器人辅助气囊抛光系统中进行了直线连续进动的实验验证, 实验验证结果和仿真结果完全吻合。研究结果表明, 该气囊连续进动抛光数学模型是可行的。
关键词：定点进动,连续进动,坐标变换,运动空间
参考文献
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气囊抛光工件的几何信息重构研究 篇2
目前,如果要对一个未知几何模型的工件进行气囊抛光,那么首先必须借助于一些辅助设计、制造软件,例如CAD、CAM、CAPP等,以构建工件的三维模型,生成预期的气囊抛光加工轨迹,规划抛光加工过程的一些工艺参数。并且这个过程必须依靠人为参与进行,因为这些辅助设计、制造、工艺规划软件相互之间接口的兼容性不是很好。这就对气囊抛光操作者提出了一定的专业技能要求: 会进行抛光工件的三维实体建模,并懂得一些气囊抛光加工的工艺知识。
未知环境下机器人辅助气囊抛光系统[1]不需要借助这些计算机辅助设计、制造软件,基于自身系统就能识别并获取抛光工件的几何特征模型,并生成相应的气囊抛光加工工艺参数及抛光加工轨迹,整个过程不需要人工参与。这种方式是未来机器人辅助气囊抛光加工,甚至是整机械加工工业的生产模式。它是实现气囊抛光自动化、柔性化的基础,尽可能地减少了人工的干预和管理,提高了气囊抛光加工的效率,降低了加工成本,同时也使抛光加工变得更加灵活。随着知识和信息密集型的制造工业迅速发展,实现集成CAD、CAM的智能气囊抛光系统已成为必然要求。这是工业自动化的发展方向,也将成为高科技研究领域的重要课题。这不仅在理论上具有重要意义,而且在技术上对于机器人辅助气囊抛光加工的自动化、智能化生产有着重要价值。
本研究主要探讨气囊抛光工件的几何信息重构。
1问题描述
在给出可能的解决方案之前,需要先给出抛光工件曲面的正式数学函数描述。任意非负的、非一致曲率的工件曲面MR3,可以记作:
或记作参数形式式:
其中,( ζ,ξ) 在R2平面的某个区域内变化。对于抛光来说,工件曲面的这些几何参数信息都是未知的。
为了简化问题,曲面M有时可以考虑成更简单的、更容易想象的平面曲线,即函数形式z = g( x) 和参数形式x = x( l) ,y = y( l) ,与曲面类似,l是曲线的参数,一般取自然参数,即速度向量为单位向量的参数。
虽然工件的CAD信息未知,但对于抛光操作来说,不需要知道抛光工件曲面的所有几何信息[2],只需要知道抛光点外法向量n,即在线辨识工件未知曲面法矢量。因为在抛光操作过程中,气囊与工件抛光点处是垂直的,也就是说机械臂末端的法矢量与抛光点处的外法向量重合,求得工件抛光点处的外法向量n,即相当于求得机械臂末端的位姿[3]。
2详细方案
2. 1 理论依据
基于方程式( 2) 的曲面描述形式,本研究将待加工曲面离散为某个间距的网格,坐标( xi,yi) 的顶点记作zi,j( i =1,…,m,j =1,…n) ,借助于预定的接触力跟踪控制策略,使机械臂与曲面的网格顶点( xi,yi,zk) 接触并保持预定接触力,然后调节工具姿态,调节过程中机械臂仅有腕关节的运动,来确定该点附近的某点使气囊压力达到最大的坐标( xi+ Δxi,yj+ Δyj,zk+ Δzk) 。此时,可以粗略地认为抛光工具的轴向与该点的外法向量ni,j,k( xi,yj,zk) 一致,也就是通过反复迭代,并借助于概率推理和Markov原理,不断地更新该点的外法向量。
这个方案的理论依据是: 工件曲面MR3外一点p到该曲面的最近点s∈M之间的有向线段s→p,它的方向矢量也就是曲面M在点s的外法向量ns。对于这个结论,当曲面M是一个球面,直接就可以看出[4]。
对于任意的凸曲面M,这个结论的简要证明如下:
假设曲面MR3的某个片段NM有参数形式:r = r( ζ,ξ) 和r = r( x,y,z) ,其中: ( ζ,ξ) 为该曲面片段的坐标,以坐标( ζ,ξ) 给出的曲线 ζ( t) 和 ξ( t) 嵌入在曲面片段N上曲线r( t) = r( ζ( t) ,ξ( t) ) 。那么它的速度向量为:
如果所考察的点不是曲面的非奇异点,则向量rζ和rξ是线性无关的。工件参数方程表达式r = r( ζ,ξ)曲面上的点p( ζ0,ξ0) 是一个非奇异的坐标点,那么则点p = ( x0,y0,z0) = ( x( ζ0,ξ0) ,y( ζ0,ξ0) ,z( ζ0,ξ0) ) 对应的矩阵 的秩为2。
由式( 3) 可得: 曲面片段N的任意切向量都是向量rζ和rξ的线性组合。所以,该非奇异点处与曲面片段N相切的所有向量组成一个以rζ和rξ为基底的二维空间,称之为该点处N的切平面。如果曲面片段N外一点p垂直并通过该曲面上某点s∈M,即点s是p到曲面片段N的最近点。因为曲面片段NM的定义是任意的,点s也是p到曲面M的最近点。如果把机械臂腕关节中心看作是待加工曲面外一点p,当保持腕关节中心坐标不变时,假设气囊始终与曲面片段N保持接触,改变抛光工具的姿态,当腕关节中心与气囊接触点达到最小值时,那么从接触点到腕关节中心的有向线段方向正好是该曲面片段的外法向量[5],此时,气囊压力达到最大值。这正是该方案的关键所在,该方案操作示意图如图1 所示。其实,该测量系统的原理就是不断地微调抛光工具的姿态,每次都计算一次腕关节中心到抛光接触点的距离,拿该值与前一次测量值比较,保存较小值。这样不断循环若干次数后,保存的那个最小值基本就是抛光点处的外法向量所在的距离值。
2. 2 操作步骤
尽管无法直接测量外法向量,本研究根据上述的理论依据,当中心保持不变时,假设关闭力跟踪控制环,仅改变腕关节变量,并调节抛光工具姿态。在这个过程中腕关节中心到接触点距离将发生变化,这一距离变化将导致气囊压力变化。而且,从接触点到腕关节中心的有向线段方向正好是曲面片段的外法向量时,气囊压力达到最大值。这也就是说,待加工曲面上某个接触点的外法向量n与机械臂的关节变量 θ、气囊压力f有关[6],由于气囊接触变形是未知,它们之间没有明确的线性或非线性关系,无法建立观测器来确定n。但可以通过概率推理方法,递推地确定某接触点对应的外法向量为n的概率p( n) 。在抛光操作的t时刻,某点外法向量的概率估计为条件概率p( n | θt,ft) 。现有很多文献为这一工作提供诸多可用的算法。此外,通过神经网络可以很好地把高维数据信息 θt,ft映射到低维空间,也可以考虑采用神经网络方法找到未知曲面上某点的外法向量。
根据Markov原理,以及过去的信息,当已知曲面上某点的外法向量时,未来的测量信息 θt,ft与过去的测量无关。由此可以形成下述的迭代过程。
事实上,著名的Kalman滤波器也是一个递归过程,也是基于概率推理的思想,尽管现在多数Kalman滤波器文献中看不到概率推理的影子,而Kalman在1960 年发表的原始文章中的确是采用概率推理原理导出他的滤波器。目前,概率推理也是AI领域的主要工具。
具体操作如下:
Step 1: 根据输入的待加工区域参数lx和ly,并假设待抛光工件曲面M初始为平面g( x,y) = zinit,其中zinit是某个估计常数。选择某个间距 ε 将这个初始平面离散成m × n网格,m = lx/ ε 和n = ly/ ε。并且指定所有抛光坐标点( xi,yj,zinit) 的初始外法向量为ni,j,init=( 0,0,1) ,且初始概率P( ni,j,init) =1。
Step 2: 对于i = 1: m,j = 1: n对应的每一个坐标( xi,yj,zinit) ,用接触力跟踪控制,使机械臂直接运动至( xi,yj,zinit) 位置,补偿zi,j= zinit+ Δz,使接触力跟踪上预定值fi,j。一旦接触力稳定,就关闭力跟踪控制环,然后位置控制环使腕关节变量连续微变,并启动外法向量推理算法,确定每一个曲面上的坐标点( xi+ Δxi,yj+ Δyj,zi,j+ Δzi,j) 的外法向量ni,j。并记录每个接触点的抛光时间ti,j。
Step 3: 根据Step 2 确定的曲面外法向量ni,j,以及机械臂的当前位姿,相邻的外法向量之间的夹角反映曲率的变化,按照曲率变化最小,规划一条最优的抛光轨迹,并执行抛光操作,记录每个坐标点的抛光时间。当某些坐标点的去除量 时,将这些点加上平均接触面标记为障碍点,后续的抛光轨迹将避开这些障碍点。
Step 4: 如果待加工区域全部标记为障碍,则抛光操作完毕; 否则,返回Step 3。
3抛光柔顺力控制
气囊抛光机器人系统的主动柔顺控制策略[7]与机器人阻抗力控制策略相似,都不是直接控制机器人与外部环境之间的接触力,而是通过机器人末端位姿( 或者速度) 与接触力之间的关系,来调整位姿和速度误差,从而达到控制接触力的目的。该力控制过程中的弹性变形非常重要,这里主要是要研究力/运动转换矩阵K。矩阵K秩越大,控制系统越柔,容易实现力控制; 矩阵K秩越小,控制系统越刚,容易实现位姿控制。对于这样一种刚柔相济的力控制系统[8],其设计的核心问题就是力/运动转换矩阵K。
设 ΔX =( ΔY,ΔZ)T,根据力和运动之间的关系,机器人和外界环境之间的接触力与位移的微分变化关系为:
在气囊抛光过程中,要求进给运动机器人的关节速度和角加速度较小,所以可以只考虑位置项的作用,而忽略阻尼项和惯性项的作用,即不考虑气囊抛光工具与外界环境之间接触的瞬态关系[9]。因此在式( 4) 中,可以忽略速度项和加速度项对接触力的影响,故有:
上式建立了力控制中位移与接触力的关系,这种力控制可通过如图2 所示的力外环伺服控制方案实现。
图2 中的力控制方案采用力外环控制,其中H( s)为传感器传递函数,预期力 与实际接触力 的误差当作力控制器Gf( s) 的输入,Gf( s) 的输出为位置修正量 ,它与位置给定量 相加后作为机器人位姿伺服控制系统的输入 。机器人与外部环境之间的接触力 是由气囊抛光工具末端实际位置 与环境约束位置 的误差所引起的,接触力大小与机器人刚度、位置伺服系统刚度以及环境刚度有关[10]。如果是刚性环境的话,则接触力取决于机器人刚度和位置伺服系统刚度的合成刚度Ks。力控制器设计是指给定位姿控制器Gp( s) 和合成刚度Ks,需设计适当的力控制规律Gf( s) ,以满足合成刚度Ks的要求。该控制系统对于输入 和 的响应为:
其中,J0= I + KpH( s) Gf( s) Gp( s) ,所以系统合成刚度Ks为:
式中: Kp—系统合成刚度矩阵; Gp( s) —位姿控制系统传递矩阵; I—单位矩阵; Gf( s) —力控制器传递函数矩阵; Ks—力闭环刚度矩阵,可以通过调整控制规律Gf( s) 来满足对系统合成刚度Ks的要求。
4实验验证
为了验证该方案的可行性,本研究设计并搭建了一个能够对未知工件进行建模的实验平台,进行了模拟性实验。
实验系统的总体连接如图3 所示。PC机和力跟踪控制器模块通过一条网线连接,多路舵机控制器模块和力跟踪控制器模块则用一条公对公的交叉串口线连接。
该实验没有过多精度的追求,只是一个定性实验。考虑到该实验所用机器人的刚度问题,本研究采用气球来代替抛光用的气囊,用一个碗作为工件来降低复杂度( 碗底突出的一圈棱边不在实验采样的范围内) ,碗的下面罩着一铁块,作为夹具来固定碗。实验的过程如图4 所示。
机器人采用预定力跟踪控制算法对位置进行补偿,并根据机械臂的正运动学映射关系,这样就在预建模工件上取得了若干点,根据这些空间点坐标值,运用最小二乘法的曲面拟合算法对曲面片段进行拟合,从而得到重构后的工件几何信息如图5 所示。
5结束语
本研究探讨了气囊抛光工件的几何信息重构,由分析结果可知,抛光工件未知表面重构、工件局部轨迹预测、力外环补偿控制都是典型的跟踪依从和主动柔顺控制问题。实验结果表明,基于位置补偿的力跟踪控制系统,能够较好地重构抛光工件的几何信息,验证了相关的理论研究和算法实现的可行性与有效性。
摘要：针对传统的气囊抛光操作都需要工件CAD信息所引起的建模效率低下、操作复杂等问题,将一种能够在线自动重构工件几何信息的技术应用到机械臂气囊抛光系统中。详细介绍了抛光工件未知曲面在线重构的操作方法和基础理论原理,从而获取未知气囊抛光工件曲面的法矢量和切矢量,提出了一种基于位置内环补偿的力外环主动柔顺控制方案,利用抛光机械臂末端的位置补偿来实现气囊抛光所引起的接触力控制,并建立了气囊抛光接触力控制模型;另外,还搭建了一个能够对未知工件进行建模的实验平台,对理论原理进行了模拟性实验。研究结果表明,该策略应用于跟踪和识别一个未知的抛光工件曲面是可行、有效的。
气囊抛光 篇3
本文研究的这种抛光方法———气囊柔性抛光技术是建立在柔性加工理念之上, 减少了局部撞击, 使得抛光过程更加稳定和有效, 从而在抛光表面形成很多微小的解理面, 随着加工过程平稳性的改善进一步微细化, 进而使加工表面趋向于平滑, 获取相对均匀和光滑的表面质量, 同时仿形能力和大面积的柔性接触保证了抛光质量和效率的提升。该方法具有加工效率高、表面质量好、成本低、易操作的优点, 是一个很有竞争力的模具抛光方法, 可望成为抛光加工的主要的方法之一, 具有广阔的应用前景。与其他的抛光方法相比, 气囊抛光具有如下的特点:
1.1 抛光工具与工件的吻合性好:
在抛光时, 抛光工具与工件表面的紧密吻合是保证抛光质量的基本条件。气囊抛光采用的抛光工具为柔性的气囊, 抛光过程中, 抛光工具与工件表面完全吻合, 在局部接触区内抛光模和工件的面形一致, 使所有的局部抛光区的去除量基本相同, 对于提高表面粗糙度、控制面形精度非常有效。
1.2 局部抛光区内材料去除均匀:
气囊抛光采用了一种独特的运动方式———类似陀螺的“进动”运动。抛光时气囊抛光头的旋转轴线与工件局部表面的法线成一定的夹角。气囊抛光头绕法线转动, 同时气囊抛光头自身也高速旋转。由此, 抛光区域在不同的方向得到了均匀一致的抛光, 从而带来的效果是不但获得了高斯型的去除函数, 而且抛光的划痕也得到了平滑, 因此有利于气囊抛光材料去除的数值优化和保证整个加工的质量。
1.3 工艺过程可控性好:
气囊式抛光工艺没有采用传统抛光工艺中的压力控制方式, 而是以柔性气囊作为抛光工具, 通过调节气囊球心与被抛光工件表面相对位置和气囊内部的充气压力来实现抛光过程的控制, 且位置调节和压力调节可独立进行, 增强了抛光参数选择的灵活性。
2 气囊抛光原理
气囊柔性抛光工具的气囊表面覆盖一层抛光布, 在转动轴的带动下高速旋转, 与自由曲面可形成大面积均匀接触, 同时还可获得良好的接触吻合度;通过气囊气压的调节来调节抛光工作面的柔度, 增大抛光工具与自由曲面的接触面积, 提高抛光效率;通过编写程序来控制抛光工具的运动, 便可实现既定的抛光轨迹, 同时保证抛光面整个区域的法向抛光力稳定且均匀, 以获得高的抛光品质;通过对外接溢流阀的控制, 可以控制气囊的气压以及曲面的法向抛光力, 实现在线控制;通过对气囊压力的控制, 可以精确控制局部抛光去除量, 进而实现局部形面的精密修正。
3 气囊抛光工具
气囊柔性抛光系统, 其拥有6个自由度, 能进行工件形态表面的扫描, 进而生成优化的加工路径;柔性接触能很好地补偿和修正局部误差, 获取匀称的抛光表面;同时根据抛光工具前端扭矩传感器的安置, 能很好地实现气囊气压的在线调节和控制, 获取接触区域稳定的接触力。抛光工具有一个能旋转和膨胀的橡胶气囊, 外部包裹着抛光布, 气囊内部的压力可以通过溢流阀的调节加以控制。
当旋转的气囊压向工件的表面时, 在抛光磨料的作用下, 在静止不动的工件表面就会遗留下划痕, 划痕的分布范围就是气囊抛光接触区。因此, 可用工件表面的抛光划痕来确定抛光接触区的尺寸和形状。而将形状规则、与周围过渡平缓的接触区称为有效抛光接触区。抛光接触区的大小是通过控制气囊相对工件表面的压缩量而实现的。抛光接触区的形状呈比较规则的形状, 在气囊压缩量比较小时, 抛光接触区的形状比较规则;而当气囊压缩量比较大时, 抛光接触区的形状虽然比较规则, 但对称性较差。对应不同的气囊压缩量, 抛光接触区的尺寸不同, 总的趋势是随气囊压缩量的增加, 抛光接触区的尺寸也增大。
在局部的接触区, 柔性气囊的变形使其与工件的面形吻合, 提高了气囊抛光模的材料去除能力。控制气囊球心与工件抛光表面的相对位置, 就可以改变抛光接触区的大小。利用可控抛光接触区能改善抛光能力, 对不同的抛光目的, 选择不同的抛光接触区及其大小。例如, 大的抛光接触区用于修整给定的面形精度和达到比较光滑的表面;小的抛光接触区可用于修整表面的一些局部误差。而这种方法同样也可应用在边角上。对大小不同的工件, 通过调整工艺来选择不同的抛光接触区及其大小。
4 影响气囊抛光的因素
抛光是以磨料的微小塑性切削为主体而进行的。抛光区内由于局部高温、高压使得工件与磨料之间存在着直接的机械作用, 工件表面的材料不断地被微量去除, 从而使表面平滑化。通常磨料、抛光条件、抛光环境等因素对抛光精度和表面质量有影响, 这些因素的不同状态组合, 就会得到不同的抛光结果。本节暂不考虑与材料相关的物理机械特性, 主要根据气囊抛光的运动特点和抛光原理, 分析了影响气囊式抛光效果的有关因素, 认为下陷量、主轴转速、气囊压力和磨料是影响气囊抛光效果的主要因素。
气囊抛光时, 气囊对工件的压力是由气囊对工件的相对压缩产生的, 气囊的压缩不但形成抛光接触区的大小, 也形成抛光接触区的压力, 抛光区压力的大小取决于气囊的下陷量。气囊与工件间的相对速度由气囊旋转的速度决定。气囊“进动角”的变化改变了抛光接触区内速度大小, 它与气囊旋转的速度有关, 可归于气囊速度的影响之中。充气压力可调节是气囊抛光的特点, 它具有以下的作用:在相同的下陷量情况下, 改变气囊的充气压力相当于在抛光接触区尺寸近似不变的情况下, 改变了气囊与工件间的压力。
总结
气囊抛光所具有的运动方式能适应快速和精密抛光;气囊接触区的有效尺寸和抛光压力可独立地控制;根据抛光需要, 可改变接触区的大小及充气压力的高低;气囊抛光是局部抛光, 在抛光的局部接触区域内, 由于气囊的柔性、抛光模和工件的面形一致, 可以显著地改善抛光效果。研究和试验都表明, 气囊式抛光是一种实用、经济的高精度抛光技术, 具有加工效率高、表面质量好、成本低、易操作的优点, 是一个很有竞争力的抛光方法, 可望成为电梯轿厢轿壁和轿门等装饰工艺中抛光加工的主要的方法之一, 具有广阔的应用前景。
参考文献
[1]吕戊辰.表面加工技术[M].科学技术出版社, 1984.
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[6]朱正辉.几何量测量 (上册) [M].北京:原子能出版社, 2002.
气囊抛光 篇4
非球面零件具有非常优良的光学性能,广泛应用于航空航天、电子和国防等诸多领域[1]。随着科技快速发展,对高性能非球面零件的需求越来越迫切[2]。目前,高精度非球面表面主要采用研磨和抛光工艺作为最终的加工工序[3]。为了提高非球面加工精度和表面质量,自上世纪八十年代以来,各种以计算机为主要辅助手段的精密研抛技术不断涌现,气囊抛光是其中的一种。
磁流变液是一种极具发展前途和工程应用价值的新型智能材料。利用磁流变液具有连续、可逆、易于控制和响应迅速等特性,在机械传动、汽车振动和减震等多个领域得到广泛应用。
本文提出一种新型气囊抛光方法,将基于磁流变液的恒力矩装置与数控机床结合引入到柔顺研抛技术中,集中体现数控机床刚度大、定位精度高以及磁流变伺服装置可调可控和响应迅速的特点。基于此,本文研制了相应的基于MRT的气囊抛光样机并开展了一系列实验研究。
1 基于MRT的气囊抛光系统组成
本文开发的基于MRT的气囊抛光系统主要包括:磁流变力矩伺服装置(MRT)、信号采集、信号调节、PC机、可控电源、气囊抛光工具和数控车床等。基于MRT的气囊抛光实验样机如图1所示。
由图1可知,样机通过底座与数控车床相固定,因此能够满足加工过程中的工件旋转以及速度进给需求;可控电流源提供MRT线圈工作的电流,MRT产生的力矩通过连杆传递到研抛头(即气囊),使得研抛头与非球面工件表面接触,产生研抛力。通过信号采集与调节实时控制施加在MRT上的励磁电流,控制MRT的输出转矩,进而获得理想的研抛力。气囊在电机的带动下可以自身旋转,通过调整合适的位置使得气囊可以很好地贴合工件。在抛光过程中只要合理地控制工艺参数,就可以达到理想的抛光效果。
2 气囊抛光过程中工艺参数对抛光接触区特征的影响
气囊抛光过程中,工件的材料去除是在抛光接触区内完成的,抛光接触区是加工过程中涂敷在柔性气囊表面的研磨膏在工件表面的划痕区域,可以通过控制气囊中心与工件表面之间的距离来实现。研究抛光接触区特性十分必要。为了研究基于MRT的气囊抛光系统中各工艺参数对抛光接触区的影响,在如图1所示的实验样机上对铝制非球面零件进行了抛光实验。工件直径50mm,实验采用的机床是大连机床厂制造的CAK6150数控车床。实验条件如表1所示。具体实验过程中,只改变要研究的其中一项工艺参数,其余参数保持不变。
2.1 励磁电压对抛光接触区形状的影响
2.1.1 励磁电流与MRF力矩伺服器输出力矩的关系
由于MRT是气囊抛光系统中重要的提供研抛力的装置,因此分析MRT的输出特性十分重要。我们通过实验分析了MRT的输出力矩与励磁电流之间的关系。在对励磁电流范围0~3A,以0.2A为步长进行仿真计算[4],将计算结果与实验测得的励磁条件下力矩进行对比,结果如图2所示。
由图2可知,理论值与实测值增长趋势一致,励磁电流与MRT输出力矩之间呈现较好的线性度,但理论值相比于实测值均偏大,主要原因是由于各结构件在装配的过程中难免有空气间隙,必将使磁阻增大,从而磁流变液区域的磁感应强度小于理论值。结果表明,通过调整励磁电流的大小,就可以得到理想的输出力矩,进而得到合适的研抛力。
2.1.2 励磁电压对抛光接触区形状的影响
由前面讨论可知,通过改变励磁电流,可以线性地改变MRT伺服器的输出力矩,从而改变研抛力。研抛力是影响抛光接触区特性的主要参数之一,因此通过改变励磁电流大小可以改变抛光接触区的特性。图3是当励磁电压范围0.5A~1.8 A之间变化时抛光接触区的变化趋势。由图3可以看出,随着电压增高,接触区形状变化不大,面积显著增加。因此励磁电压(或者电流)是影响接触区特征的重要参数。
2.2 气囊姿态角对抛光接触区特性的影响
姿态角是指带动气囊旋转的电机轴线方向与数控机床Z轴方向之间的夹角。在气囊抛光加工过程中,当其他工艺参数保持不变,改变气囊姿态角,接触区大小也将发生变化。图4是抛光接触区随姿态角变化时的关系图。可见,当姿态角从5°变化到35°时,接触区面积也随之增大。
2.3 气囊压缩量对抛光接触区特性的影响
气囊压缩量是指以气囊与工件表面刚接触(未变形)为起点,通过精确调整机床进给而产生的位移量。气囊压缩量不同,与工件接触时产生的接触区形状和大小也会不同。因此压缩量是影响抛光接触区特性的重要参数之一。实验过程中采用的气囊的压缩量分别为0.2mm、0.3mm、0.4mm、0.5mm、0.6mm、0.7mm,其他参数保持不变。针对非球面零件,得到气囊压缩量变化对抛光接触区影响关系如图5所示。
从图5中可以看出,抛光接触区形状近似圆形,随着压缩量增大,接触区面积也相应增大。当压缩量较小时(∆Z=0.1~0.3mm),抛光接触区形状对称性稍差,这主要是由于此时压缩量较小,气囊内部的压力也较小,导致柔性气囊不能很好的与工件表面形状贴合,进而使得抛光接触区的特性稍差。当压缩量较大时(∆Z=0.4~0.7mm),抛光接触区的面积也随之增大,且形状规则,对称性较好。因此,在实际的抛光加工过程中,气囊压缩量不能取得太小,这样才能使得气囊和工件外形更好地贴合。
2.4 气囊转速对抛光接触区特性的影响
抛光实验中,我们通过改变带动气囊电机的转速来研究气囊转速变化对抛光接触区特性的影响。通过调节电压使电机转速分别为100rpm,200rpm,300rpm,400rpm,500rpm,其他工艺参数不变进行抛光实验,结果表明,气囊转速对抛光接触区特征影响不大。
3 研抛实验
结合气囊抛光过程工艺参数的分析,在普通的数控车床上,对非球面零件(抛物面)进行气囊抛光实验,实际的抛光效果如图6所示,具体抛光采用的实验条件如表1所示。用SRM-1(D)表面粗糙度仪测得的工件抛光前后的表面质量对比如表2所示。
4 结论
本文在介绍了一种基于MRT力矩伺服的新型气囊抛光方法以及系统组成的基础上,实验分析了励磁电流与MRT力矩伺服器的输出力矩之间的关系,同时研究了励磁电压、气囊姿态角、压缩量以及气囊转速等工艺参数对抛光接触区的影响规律。得出如下结论。
1)励磁电流与MRT输出力矩之间具有较好的线性关系,通过调整励磁电流的大小,就可以得到理想的输出力矩,进而得到气囊抛光加工中合适的研抛力。
2)改变励磁电压(电流)、压缩量和气囊姿态角的大小对抛光接触区有明显影响。带动气囊转动的电机转速变化对抛光接触区特征影响较小。
实验表明,分析工艺参数对抛光接触区的影响规律,为气囊抛光过程中合理选择参数提供了可靠的依据;同时将MRT引入到气囊抛光系统中作为一种执行元件,可以获得抛光过程中理想的研抛力,显著提高了非球面研抛加工的精度和效率,为磁流变器件在超精密加工领域的应用进行了积极的探索。
参考文献
[1]罗松保,张建明.非球面曲面光学零件超精密加工装备与技术[J].光学精密工程,2003,11(1):75-78.
[2]谢晋.光学非球面的超精密加工技术及非接触检测[J].华南理工大学学报(自然科学版),2004,32(2):94-98.
[3]袁哲俊.精密和超精密加工技术的新进展[J].工具技术,2006,40(3):3-9.