研抛加工机械加载力系统的设计与研究

为解决研抛加工机械加载力的变化曲线与压力采集等问题,对研抛过程中影响抛光效果的压力大小等主要因素和各种压力加载方法等方面进行了研究。从机械结构和控制软硬件两方面展开了研究,采用了一种基于PCI-1240U运动控制卡以及USB总线的技术,设计了压力加载控制系统;控制软件方面采用Lab VIEW设计了人机交互界面,利用压力加载试验台对实现加载力变化曲线和压力采集进行了测试。研究结果表明:该系统能实时监测加载系统的压力参数,能够实现不同的压力加载变化曲线功能;系统故障断路响应迅速、可靠性高,从而能在保证工件质量的基础上,提高平面研抛的加工效率。     

被动腕关节柔顺驱动环形刀具的曲面适应性问题研究

通过对现有曲面研抛现状的研究,设计出了一种新型的可用于数控铣床的自由曲面形状自适应柔顺研抛工具系统。工具系统中创新型的使用了被动腕关节机构以及磁流变液力矩伺服机构。其中,被动腕关节机构的使用,使得环形研抛工具能很好的适应工件表面曲率变化;同时磁流变液力矩伺服机构可以控制研抛压力的大小。实现了力/位混合伺服控制,为自动化柔顺研抛提供了一种新的途径。利用ADAMS建立了工具系统的虚拟样机,并对研抛过程的动力学问题进行了仿真实验研究。     

大口径非球面光学研抛压力控制系统

根据大口径非球面光学元件研抛工艺的需求,基于行星式研抛装置设计了一种新型的双路气压平衡研抛压力控制系统。该系统利用低摩擦气缸,压力传感器和两个电气比例阀构建研抛气压闭环回路。分析了系统工作原理,建立了压力控制系统的非线性模型。为了实现恒压控制,运用前馈控制及双模态PID控制算法设计了复合控制器。实验结果表明,该系统能实现研抛压力的平缓过渡,可完成研抛压力的无级调节和柔性控制,输出研抛压力在0到350N可调,稳态压力波动小于1N,对气缸活塞位移波动干扰有较强的鲁棒性。该系统基本满足研抛系统对研抛压力稳定性和精确度的要求。     

自由曲面四坐标数控柔顺研抛技术研究

针对自由曲面研抛加工五坐标平台存在操作困难、成本昂贵的问题,现以三轴数控铣床为载体,设计了一套具有良好曲线追踪能力的四坐标柔顺研抛工具系统,来实现模具曲面的自动化光整加工。对工具系统采取力/位混合伺服柔顺控制策略,将研抛加工中的力控空间和位控空间实施了正交分解。在考虑其与数控铣床坐标系统差异的基础上,具体研究了自由曲面四坐标精密研抛的成型机理与成型过程。利用面向对象的开发工具Visual Basic开发了一款自动编程软件系统,能生成该工具系统可执行的数控代码,并借助ADAMS进行了仿真验证。研究结果表明,轨迹与曲面形貌相吻合,该技术能胜任自由曲面的精密研抛。     

研抛力对复杂曲面研抛表面质量影响的研究

复杂曲面研抛加工过程中,通过控制研抛力的方法对工件进行研抛加工,根据研抛去除量确定研抛时间,能够实现对待加工表面的确定性研抛加工。在研抛加工过程中,当研抛力存在误差时,会影响机床的定位误差、加工过程中的热以及研抛头的受力变形,研抛表面精度也会因此受到影响。为了获得精度更高的工件研抛表面,需要对研抛力对工件表面精度的影响进行研究,文中通过对K9玻璃球面反射镜进行研抛加工,分析了加工过程中不同的研抛压力对加工表面质量的影响,最终确定了最优研抛压力区间为[5,7]N,使研抛表面粗糙度值由Ra0.1μm降低到Ra0.008μm左右。     

晶片抛光机压力加载系统分析

在晶体薄片的双面抛光加工中,实现抛光压力的精确、多模式控制对获得晶片高平面度和无损伤、超平滑的加工质量至关重要。为此,提出了一种基于步进电机的压力加载系统。在简述压力加载系统组成及原理的基础上,对该压力加载系统进行了整体数学建模,并通过Simulink对系统性能进行了仿真分析;最后对石英晶片进行了加工实验。实验结果初步验证了所设计的抛光压力加载系统可以较好地实现抛光压力的动态加载及平稳保持,并获得了平滑的晶片抛光表面。     

有机玻璃研抛机器人自动化工艺研究

以力和位置混合控制的机器人自动化研抛系统为实验平台,研究有机玻璃(Polymethylmethacrylate简写PMMA)的研磨抛光工艺。分析了单个磨粒的磨削材料的去除机理,以弹塑性力学理论、Preston磨削理论为基础建立了有机玻璃的机器人端面研抛去除函数模型;然后通过研磨抛光实验,研究了主要研抛加工参数(如研抛压力、研抛工具转速、机器人进给速度、循环加工次数等)对工件表面材料去除厚度的影响规律,并在单因素试验的基础上对研抛加工参数进行了初步的参数优化,经过优化后的加工参数加工出的有机玻璃样件表面几乎无微小变形和光学畸变,满足了实际加工工艺要求。     

界面因素对机械结合面超声传播的影响

利用超声脉冲回波法可以测量机械结合面间的压力分布,但是其测量精度受界面接触条件的影响,如压力加载历史、表面粗糙度、接触介质等。根据超声在接触界面的传播机制,分析得到接触界面回波能量系数与界面接触压力之间的关系模型;搭建室内超声检测系统,加工不同粗糙度的接触表面,准备不同的润滑介质,对不同接触条件的试件进行压力加载试验,得到结合面回波能量系数随压力变化的曲线。结果表明：首次加载过程所得曲线明显区别于后几次加载,随循环次数的增加,所得曲线逐渐趋于重合;相同接触压力下,接触表面粗糙度越大,回波能量系数越大;相同接触压力下,接触介质的物质属性不同以及与不同粗糙度的表面相互作用时,回波能量系数有所不同。研究表明,载荷加载历史、接触表面形貌及接触介质都是影响超声在接触界面传播的主要因素,研究结果对结合面接触应力分布的准确测量具有参考价值。     

固液两相磨粒流研抛工艺优化及质量影响

为研究磨粒流对异形腔孔内壁表面以及微小孔的研抛去毛刺等的作用效果,探讨了研抛过程中磨粒流各工艺参数与加工质量间的作用关系。以共轨管这种非直线管为研究对象,对磨粒流抛光共轨管过程进行数值模拟研究,探索各工艺参数对磨粒流研抛的影响。数值模拟结果表明:控制碳化硅体积分数可以改变磨粒流研抛过程中的粘温特性,从而可以控制磨粒流的研抛质量。然后采用正交方法设计实验方案,实验过程中,采集抛光过程中温度和粘度的变化数据,分析磨粒流研抛中粘温特性对磨粒流研抛质量的影响。试验与数值模拟结果表明,在磨粒流研抛共轨管过程中SiC的体积分数比出口压力的极差秩大,磨粒流研抛确实可有效改善工件表面质量。而且本文还进一步得出在本试验条件下,磨粒流研抛共轨管的最佳工艺参数:出口压力为5 MPa,SiC体积分数为0.25%,SiC目数为80,同时获得了表面粗糙度与体积分数的回归方程,可用于指导磨粒流实际研抛生产工作。     

非球曲面精密加工技术的研究

通常非球曲面精密零件加工,采用车、磨,研抛等工序,其耗时长、劳动强度大、精度低。采用宏程序编程技术和在研抛基本理论的研究基础上提出了一种基于磁流变液力矩伺服装置的非球面光整加工方案,采用力伺服装置实现对研抛力的控制,并采用masterCAM软件实现复杂研抛程序的编写,完成研抛轨迹的控制,对双曲面试件进行试验研究,得到了高品质的双曲面试件。     

机器人恒压球形公自转磨头抛光技术研究

采用工业机器人进行大口径光学元件的研抛过程中,机器人自身定位误差会导致研抛压力产生波动,进而影响去除函数稳定性,为此提出了一种机器人恒压球形公自转磨头抛光方法,并对其结构、工作原理、机器人定位特性以及研抛压力输出特性开展了研究。首先,基于Preston理论构建了材料去除模型,对去除函数形状进行了分析,对所设计抛光磨头的机械结构与工作原理进行了介绍。然后,对机器人定位误差以及磨头输出力响应性与稳定性进行了测量,验证了所提方法能够较好地适应机器人研抛压力波动而做出的力响应控制。最后,进行了定点抛光以及粗、精磨抛加工实验。实验结果表明：利用所提方法去除函数的稳定性强,通过10个周期的粗、精抛加工,面形收敛率分别为9095%、7261%,可获得较高的加工精度与面形质量。     

非球面精密数控研抛中研抛力的控制

提出了一种基于磁流变力矩伺服装置(MRT)的研抛力控制方法来控制非球面数控研抛系统中的研抛力以实现恒压力研抛.研究了该方法的原理、模型、影响因素并研发了相应的实验研究系统.阐述了基于磁流变力矩伺服装置的研抛力控制原理;应用Preston方程分析了恒压力控制的重要性并基于Hertz理论建立了研抛压力模型,进而建立了研抛力...     

机器人自动研抛系统平台搭建及重力补偿研究

为进行复杂曲面工件的柔顺研抛加工,自行搭建了机器人自动研抛系统平台,系统的关键技术之一是实现ATI六维力/力矩传感器和PC机的在线研抛力控制。通过对传感器测量值进行受力分析,提出研抛工具和连接件的重力补偿算法,用于消除加工过程中重力产生的干扰。采取基于位置内环的力外环柔顺控制策略,以45钢曲面工件作为加工对象进行研抛实验。实验结果表明,研抛力在一定范围内保持相对恒定,研抛曲面加工质量稳定,证明了该机器人自动研抛系统平台的可行性,良好地实现了机器人的自动化研抛加工。     

基于力控制的机器人柔性研抛加工系统搭建

为了实现曲面的自动化柔性研抛光整加工,研发了一套基于力控制的机器人柔性自动研抛曲面加工系统。整套系统结构平台主要由工业机器人及运动控制器、力/力矩六维传感器、柔性研抛工具、控制计算机和空气压缩机等组成,并简要介绍了系统之间的通讯方式及通信协议。设计了一款新的机器人末端柔性研抛工具,该工具能够模仿手工研抛加工,克服了机器人刚度与柔性之间的矛盾。整套系统实现了基于力控制的研抛光整加工,保证了在加工过程中切削力的平稳,提高了加工质量。     

大型曲面自适应研抛机器人运动学仿真

为了提高加工效率,提出了一种安装盘状工具在大型曲面上进行自适应研抛加工的机器人,可以在行进中进行作业.在分析了大型曲面的特征,针对盘状工具多点切触加工的特点,确定了机器人的技术构成.通过Pro/Engineer软件建立了研抛机器人的虚拟模型,研究了自适应研抛机器人和加工系统的运动学并建立了数学模型,应用Adams和Matlab软件对研抛机器人的自适应性和整机运动性能进行了联合仿真.仿真结果表明研抛机器人及其工具系统具有良好的动态性能,为研抛机器人系统的设计、制造和控制提供参考依据.     

圆弧刃金刚石刀具研抛新方法及微摆幅机构设计

圆弧刃金刚石刀具制造的目标是获得刃口锋利、刀尖圆弧轮廓精度高和刃口表面质量高的金刚石刀头,其研抛工艺一直是国内外研究的热点。为提高圆弧刃金刚石刀具研抛效率和研抛质量,提出了微摆辅助机械研抛方法,理论分析表明该方法能有效提高金刚石刀具的研抛效率和研抛质量。对实现该方法的微摆幅机构进行设计和有限元模态分析,研究结果对微摆幅机构微摆频率的选择具有重要指导意义,为微摆幅机构的结构改进提供了依据。     

复杂曲面五轴研抛加工模型的研究

针对复杂曲面加工的高尺寸精度和高表面质量的要求,基于五轴超精密复杂曲面研抛设备,依据Preston理论,从工件与研抛工具头在工作过程中的相对速度入手,推导出了复杂曲面加工的去除函数模型;根据复杂曲面上每一研抛点的去除量要求,推导出了加工的进给模型;进而根据相邻两点的位置关系,得出了复杂曲面加工过程中的残差,根据残差验证了数控研抛加工过程中加工步长选择的合理性,并通过实验对此进行了验证。研究结果表明,通过采用所建立的模型进行的研抛实验,获得了表面粗糙度Ra0.04的表面质量,说明了该模型的正确性和可行性,为实现复杂曲面的高效研抛加工提供了有力的理论依据。     

复杂曲面机器人自动化研抛加工试验

为提高复杂曲面工件光整加工的效率和表面质量,搭建了以KUKA 30-3机器人为基体的自动化研抛平台并对复杂曲面工件进行了研抛加工试验。基于机器人工具坐标测量原理,针对本试验工件进行刀具坐标测量,利用CAD/CAM进行轨迹规划,采用一定倾角的弹性抛光盘进行研抛加工。试验结果表明,采用"XYZ-4点"方法确定刀具坐标系原点和采用ABC世界坐标法确定刀具坐标系姿态,实现了加工过程中研抛刀具沿研抛轨迹的精确走刀。CAD/CAM轨迹与姿态规划的自动生成代替了传统复杂、费时的示教方法,实现了加工过程的主动柔顺性,而弹性抛光盘的采用实现了被动柔顺性。采用该试验平台和方法实现了复杂曲面工件自动、高效、低成本的研抛加工。     

液流悬浮加工的工艺参数研究

提出了一种液流悬浮研抛加工的新工艺方法,开发了基于三坐标数控铣床的液流悬浮研抛试验系统.通过分析研抛过程的影响因素,确定了以研抛液介质、磨料(SiC)浓度、研抛头转速和研抛时间作为试验考察对象,并对光学玻璃K9进行研抛加工正交试验.试验结果证明了利用液流悬浮纳米磨料的方法可以实现光学晶体材料的亚微米去除和超光滑表面加工,并给出了各影响因素的优选结果.     

铌合金的精加工工艺实验研究

为了探究铌合金精密超精密加工的新途径,采用光整加工技术,对其进行镜面抛光实验。实验结果表明:研抛压力、抛光液的p H值、磨粒大小和研抛垫的厚度是影响表面加工质量的主要因素。当研抛压力为6~8 k Pa、抛光液p H值为10、磨料粒度为W0.5和研抛垫厚度为3.5 mm时,抛光效果最佳,可以有效提高加工效率,改善表面加工质量,得到表面粗糙度Ra为0.031μm。