基于磁流變力矩伺服的非球面氣囊拋光方法研究

沙樹靜，鄭 堤，王龍山，史永杰，郭 淼

（1.吉林大學(xué) 機(jī)械科學(xué)與工程學(xué)院，長春 130022；2.長春工業(yè)大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，長春 130012；3.浙江大學(xué) 寧波理工學(xué)院 機(jī)電與能源分院，寧波 315100；4.理訓(xùn)中心 空軍飛行實(shí)驗(yàn)訓(xùn)練基地，滄州 061036；5.北京國電富通科技發(fā)展有限責(zé)任公司，北京 100070）

0 引言

非球面零件具有非常優(yōu)良的光學(xué)性能，廣泛應(yīng)用于航空航天、電子和國防等諸多領(lǐng)域[1]。隨著科技快速發(fā)展，對高性能非球面零件的需求越來越迫切[2]。目前，高精度非球面表面主要采用研磨和拋光工藝作為最終的加工工序[3]。為了提高非球面加工精度和表面質(zhì)量，自上世紀(jì)八十年代以來，各種以計(jì)算機(jī)為主要輔助手段的精密研拋技術(shù)不斷涌現(xiàn)，氣囊拋光是其中的一種。

磁流變液是一種極具發(fā)展前途和工程應(yīng)用價(jià)值的新型智能材料。利用磁流變液具有連續(xù)、可逆、易于控制和響應(yīng)迅速等特性，在機(jī)械傳動、汽車振動和減震等多個領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。

本文提出一種新型氣囊拋光方法，將基于磁流變液的恒力矩裝置與數(shù)控機(jī)床結(jié)合引入到柔順研拋技術(shù)中，集中體現(xiàn)數(shù)控機(jī)床剛度大、定位精度高以及磁流變伺服裝置可調(diào)可控和響應(yīng)迅速的特點(diǎn)?；诖?，本文研制了相應(yīng)的基于MRT的氣囊拋光樣機(jī)并開展了一系列實(shí)驗(yàn)研究。

1 基于MRT的氣囊拋光系統(tǒng)組成

本文開發(fā)的基于MRT的氣囊拋光系統(tǒng)主要包括：磁流變力矩伺服裝置（MRT）、信號采集、信號調(diào)節(jié)、PC機(jī)、可控電源、氣囊拋光工具和數(shù)控車床等?；贛RT的氣囊拋光實(shí)驗(yàn)樣機(jī)如圖1所示。

由圖1可知，樣機(jī)通過底座與數(shù)控車床相固定，因此能夠滿足加工過程中的工件旋轉(zhuǎn)以及速度進(jìn)給需求；可控電流源提供MRT線圈工作的電流，MRT產(chǎn)生的力矩通過連桿傳遞到研拋頭（即氣囊），使得研拋頭與非球面工件表面接觸，產(chǎn)生研拋力。通過信號采集與調(diào)節(jié)實(shí)時(shí)控制施加在MRT上的勵磁電流，控制MRT的輸出轉(zhuǎn)矩，進(jìn)而獲得理想的研拋力。氣囊在電機(jī)的帶動下可以自身旋轉(zhuǎn)，通過調(diào)整合適的位置使得氣囊可以很好地貼合工件。在拋光過程中只要合理地控制工藝參數(shù)，就可以達(dá)到理想的拋光效果。

圖1 基于MRT的氣囊拋光實(shí)驗(yàn)樣機(jī)組成

2 氣囊拋光過程中工藝參數(shù)對拋光接觸區(qū)特征的影響

氣囊拋光過程中，工件的材料去除是在拋光接觸區(qū)內(nèi)完成的，拋光接觸區(qū)是加工過程中涂敷在柔性氣囊表面的研磨膏在工件表面的劃痕區(qū)域，可以通過控制氣囊中心與工件表面之間的距離來實(shí)現(xiàn)。研究拋光接觸區(qū)特性十分必要。為了研究基于MRT的氣囊拋光系統(tǒng)中各工藝參數(shù)對拋光接觸區(qū)的影響，在如圖1所示的實(shí)驗(yàn)樣機(jī)上對鋁制非球面零件進(jìn)行了拋光實(shí)驗(yàn)。工件直徑50mm，實(shí)驗(yàn)采用的機(jī)床是大連機(jī)床廠制造的CAK6150數(shù)控車床。實(shí)驗(yàn)條件如表1所示。具體實(shí)驗(yàn)過程中，只改變要研究的其中一項(xiàng)工藝參數(shù)，其余參數(shù)保持不變。

表1 實(shí)驗(yàn)條件及相關(guān)工藝參數(shù)

2.1 勵磁電壓對拋光接觸區(qū)形狀的影響

2.1.1 勵磁電流與MRF力矩伺服器輸出力矩的關(guān)系

由于MRT是氣囊拋光系統(tǒng)中重要的提供研拋力的裝置，因此分析MRT的輸出特性十分重要。我們通過實(shí)驗(yàn)分析了MRT的輸出力矩與勵磁電流之間的關(guān)系。在對勵磁電流范圍0～3A，以0.2A為步長進(jìn)行仿真計(jì)算[4]，將計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)測得的勵磁條件下力矩進(jìn)行對比，結(jié)果如圖2所示。

圖2 勵磁電流與MRT輸出力矩之間的關(guān)系

由圖2可知，理論值與實(shí)測值增長趨勢一致，勵磁電流與MRT輸出力矩之間呈現(xiàn)較好的線性度，但理論值相比于實(shí)測值均偏大，主要原因是由于各結(jié)構(gòu)件在裝配的過程中難免有空氣間隙，必將使磁阻增大，從而磁流變液區(qū)域的磁感應(yīng)強(qiáng)度小于理論值。結(jié)果表明，通過調(diào)整勵磁電流的大小，就可以得到理想的輸出力矩，進(jìn)而得到合適的研拋力。

2.1.2 勵磁電壓對拋光接觸區(qū)形狀的影響

由前面討論可知，通過改變勵磁電流，可以線性地改變MRT伺服器的輸出力矩，從而改變研拋力。研拋力是影響拋光接觸區(qū)特性的主要參數(shù)之一，因此通過改變勵磁電流大小可以改變拋光接觸區(qū)的特性。圖3是當(dāng)勵磁電壓范圍0.5A～1.8 A之間變化時(shí)拋光接觸區(qū)的變化趨勢。由圖3可以看出，隨著電壓增高，接觸區(qū)形狀變化不大，面積顯著增加。因此勵磁電壓（或者電流）是影響接觸區(qū)特征的重要參數(shù)。

圖3 勵磁電壓對接觸區(qū)大小的影響

2.2 氣囊姿態(tài)角對拋光接觸區(qū)特性的影響

姿態(tài)角是指帶動氣囊旋轉(zhuǎn)的電機(jī)軸線方向與數(shù)控機(jī)床Z軸方向之間的夾角。在氣囊拋光加工過程中，當(dāng)其他工藝參數(shù)保持不變，改變氣囊姿態(tài)角，接觸區(qū)大小也將發(fā)生變化。圖4是拋光接觸區(qū)隨姿態(tài)角變化時(shí)的關(guān)系圖。可見，當(dāng)姿態(tài)角從5°變化到35°時(shí)，接觸區(qū)面積也隨之增大。

圖4 姿態(tài)角對拋光接觸區(qū)的影響關(guān)系

2.3 氣囊壓縮量對拋光接觸區(qū)特性的影響

氣囊壓縮量是指以氣囊與工件表面剛接觸（未變形）為起點(diǎn)，通過精確調(diào)整機(jī)床進(jìn)給而產(chǎn)生的位移量。氣囊壓縮量不同，與工件接觸時(shí)產(chǎn)生的接觸區(qū)形狀和大小也會不同。因此壓縮量是影響拋光接觸區(qū)特性的重要參數(shù)之一。實(shí)驗(yàn)過程中采用的氣囊的壓縮量分別為0.2mm、0.3mm、0.4mm、0.5mm、0.6mm、0.7mm，其他參數(shù)保持不變。針對非球面零件，得到氣囊壓縮量變化對拋光接觸區(qū)影響關(guān)系如圖5所示。

圖5 氣囊壓縮量對接觸區(qū)大小的影響

從圖5中可以看出，拋光接觸區(qū)形狀近似圓形，隨著壓縮量增大，接觸區(qū)面積也相應(yīng)增大。當(dāng)壓縮量較小時(shí)（ΔZ=0.1～0.3mm），拋光接觸區(qū)形狀對稱性稍差, 這主要是由于此時(shí)壓縮量較小，氣囊內(nèi)部的壓力也較小，導(dǎo)致柔性氣囊不能很好的與工件表面形狀貼合，進(jìn)而使得拋光接觸區(qū)的特性稍差。當(dāng)壓縮量較大時(shí)（ΔZ=0.4～0.7mm），拋光接觸區(qū)的面積也隨之增大，且形狀規(guī)則，對稱性較好。因此，在實(shí)際的拋光加工過程中，氣囊壓縮量不能取得太小，這樣才能使得氣囊和工件外形更好地貼合。

2.4 氣囊轉(zhuǎn)速對拋光接觸區(qū)特性的影響

拋光實(shí)驗(yàn)中，我們通過改變帶動氣囊電機(jī)的轉(zhuǎn)速來研究氣囊轉(zhuǎn)速變化對拋光接觸區(qū)特性的影響。通過調(diào)節(jié)電壓使電機(jī)轉(zhuǎn)速分別為100rpm，200rpm，300rpm，400rpm，500rpm，其他工藝參數(shù)不變進(jìn)行拋光實(shí)驗(yàn)，結(jié)果表明，氣囊轉(zhuǎn)速對拋光接觸區(qū)特征影響不大。

3 研拋實(shí)驗(yàn)

結(jié)合氣囊拋光過程工藝參數(shù)的分析，在普通的數(shù)控車床上，對非球面零件（拋物面）進(jìn)行氣囊拋光實(shí)驗(yàn)，實(shí)際的拋光效果如圖6所示，具體拋光采用的實(shí)驗(yàn)條件如表1所示。用SRM-1(D)表面粗糙度儀測得的工件拋光前后的表面質(zhì)量對比如表2所示。

圖6 拋物面的研拋效果

表2 工件拋光前后的表面粗糙度結(jié)果比較

4 結(jié)論

本文在介紹了一種基于MRT力矩伺服的新型氣囊拋光方法以及系統(tǒng)組成的基礎(chǔ)上，實(shí)驗(yàn)分析了勵磁電流與MRT力矩伺服器的輸出力矩之間的關(guān)系，同時(shí)研究了勵磁電壓、氣囊姿態(tài)角、壓縮量以及氣囊轉(zhuǎn)速等工藝參數(shù)對拋光接觸區(qū)的影響規(guī)律。得出如下結(jié)論。

1）勵磁電流與MRT輸出力矩之間具有較好的線性關(guān)系，通過調(diào)整勵磁電流的大小，就可以得到理想的輸出力矩，進(jìn)而得到氣囊拋光加工中合適的研拋力。

2）改變勵磁電壓（電流）、壓縮量和氣囊姿態(tài)角的大小對拋光接觸區(qū)有明顯影響。帶動氣囊轉(zhuǎn)動的電機(jī)轉(zhuǎn)速變化對拋光接觸區(qū)特征影響較小。

實(shí)驗(yàn)表明，分析工藝參數(shù)對拋光接觸區(qū)的影響規(guī)律，為氣囊拋光過程中合理選擇參數(shù)提供了可靠的依據(jù)；同時(shí)將MRT引入到氣囊拋光系統(tǒng)中作為一種執(zhí)行元件，可以獲得拋光過程中理想的研拋力，顯著提高了非球面研拋加工的精度和效率，為磁流變器件在超精密加工領(lǐng)域的應(yīng)用進(jìn)行了積極的探索。

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