1、本科毕业论文（20届）非球面精密加工技术研究所在学院专业班级机械设计制造及其自动化学生姓名学号指导教师职称完成日期年月I摘要摘要在市场需求不断变化和科学技术飞速发展这两个巨轮的推动下，先进制造技术在不断向精密化、多样化等方向发展。非球面零件广泛应用上于军事方面、民用、光电产品和医疗仪器、实验仪器等诸多领域。目前,利用计算机自动控制技术,实现非球面元件的快速精密加工成型,能够保证非球面零件具有较高的面形精度和表面质量精度，然而如何对成型后的零件进行精确抛光,是制约中小口径非球面零件生产的瓶颈。作为超精密加工领域中的一个关键性技术难题，非球面零件的研抛加工引起了各国的高度重视。本文以控制研抛法向力
2、为手段，综合应用现代控制理论、柔顺控制技术、数控技术等先进技术，在不改变原有数控机床的基础上，通过研究基于力反馈控制的柔顺研抛系统，从而实现数控研抛非球面加工过程中的研抛法向力的控制。研抛加工实验研究在基于以上的研究结果的前提下，利用本文的研抛工具系统进行的研抛加工实验，并对实验结果进行分析研究。关键词非球面；精密加工；数控技术；柔顺研抛；恒速恒压。IIABSTRACTWITHTHEDEVELOPMENTOFMARKETINGDEMANDANDRAPIDDEVELOPMENTOFSCIENCETECHNOLOGY,THEADVANCEDTECHNIQUEOFMANUFACTURETODIREC
3、TIONSANDSOONPRECISION,DIVERSIFICATIONDEVELOPSUNCEASINGLYASPHERICALPARTSAREWIDELYUSEDINASPECTSOFMILITARY,CIVIL,PHOTOELECTRICPRODUCTSANDMEDICALINSTRUMENTS,EXPERIMENTALINSTRUMENT,ETCATPRESENT,USINGTHECOMPUTERAUTOMATICCONTROLTECHNOLOGY,REALIZESTHEASPHERICSURFACEPARTSFASTPRECISIONSIZINGFORMATION,CANGUARA
4、NTEETHATTHEASPHERICSURFACECOMPONENTSHAVETHEHIGHFACESHAPEPRECISIONANDTHESURFACEQUALITYPRECISIONHOWEVER,HOWTOCARRYONPRECISEPOLISHINGAFTERTHEFORMATIONCOMPONENTSISINTHERESTRICTIONTHESMALLCALIBERASPHERICSURFACECOMPONENTSPRODUCTIONBOTTLENECKASANULTRAPRECISIONSIZINGDOMAINSINCRUCIALTECHNICALDIFFICULTPROBLEM
5、,THEASPHERICSURFACECOMPONENTSGROUNDTHROWTHEPROCESSINGTOCAUSEVARIOUSCOUNTRIESTOTAKESERIOUSLYTHISARTICLETAKECONTROLSGRINDSTHROWSTHENORMALFORCEASTHEMETHOD,THESYNTHESISAPPLICATIONMODERNCONTROLTHEORY,THEMILDMANNEREDCONTROLTECHNOLOGY,THENUMERICALCONTROLTECHNOLOGYANDSOONVANGUARDTECHNOLOGY,INDOESNOTCHANGEIN
6、THEORIGINALNUMERICALLYCONTROLLEDMACHINETOOLSFOUNDATION,GRINDSMILDMANNEREDTHROUGHTHERESEARCHBASEDONTHESTRENGTHREACTIONCONTROLTHROWSTHESYSTEM,THUSREALIZESTHENUMERICALCONTROLTOGRINDTHROWSINTHEASPHERICSURFACEPROCESSINGPROCESSTOGRINDTHROWSTHENORMALFORCETHECONTROLGRINDSTHROWSTHEPROCESSINGEXPERIMENTALSTUDY
7、INBASEDONUNDERTHEABOVEFINDINGSPREMISE,GRINDSUSINGTHISARTICLETHROWSTHETOOLSYSTEMTOCARRYONGRINDSTHROWSTHEPROCESSINGEXPERIMENT,ANDCONDUCTSTHEANALYTICALSTUDYTOTHEEXPERIMENTALRESULTKEYWORDSASPHERICSURFACE；PRECISIONSIZING；NUMERICALCONTROLTECHNOLOGY；GRINDSMILDMANNEREDTHROWS；CONSTANTSPEEDCONSTANTPRESSUREIII
8、目录摘要I目录III1绪论111选题的背景与意义112国内外研究现状分析2121非球面精密加工设备现状2122非球面精密加工技术研究现状4123柔顺控制技术研究现状613本文研究方法与技术路线7131研究方法7132技术路线82非球面精密研抛系统设计921非球面研抛技术工作原理922恒速恒压研抛系统设计1023硬件部分103柔顺研抛去除机理与成型机理研究1731柔顺研抛去除机理1732柔顺研抛工具系统接触应力分析2233柔顺研抛成型机理25331研抛工件动力学分析及工具路径规划25332恒研抛力分析274实验与实验结果分析2941实验目的2942实验设备2943实验准备30431数控机床坐标系
9、30432切削要素31433对刀3244实验步骤33441轨迹点生成33IV442速度数据35443数控代码3545实验结果36451精加工工件检测结果36452研抛实验工件检测结果3746实验总结385结论40参考文献41致谢错误未定义书签。11绪论11选题的背景与意义由于市场需求不断变化和科学技术的飞速发展，先进制造技术不断向精密化、多样化等方向发展12。非球面零件广泛应用上于军事、民用、光电产品和医疗仪器、实验仪器等诸多领域。目前,利用计算机数控技术,实现非球面零件的快速精密加工成型,保证非球面零件具有较高的精度和质量，然而制约中小口径非球面零件生产的瓶颈是如何对成型后的非球面零件进行精
10、确抛光36。由于非球面零件的研抛加工是超精密加工领域中的一个关键性技术难题，因此引起了世界的高度重视710。精密机床可以加工出较高的外形精度，但对于表面质量要求较高的零件，需要对精加工后的零件进行进一步的超精密加工，其常用方法有磨削加工和研抛加工两种。磨削设备比较精密但造价一般很昂贵，而研抛技术虽然也能实现很高的表面质量，但其加工过程控制非常困难。所以研究研抛技术要从新设备和新方法着手。为有效地提高加工零件的表面质量，一些学者提出了柔顺研抛技术。柔顺研抛分为主动柔顺和被动柔顺两种。主动柔顺，是利用力的反馈信息采用一定的控制策略来主动控制作用力；而被动柔顺，就是凭借一些辅助的柔顺机构，使其在与环
11、境接触过程中，能够对外部作用力产生自然顺从1114。由于被动柔顺装置的专用性强，适应能力较差，使用范围受限制，从而主动柔顺成为一个主导的柔顺控制研究方向1517。主动柔顺控制也就是力的控制，在研抛过程中，通过控制研抛法向力的恒定，保证了研抛工件的表面去除量的恒定，从而达到了均匀去除的效果。所以利用主动柔顺控制的研抛加工，能够大大提高工件的表面质量。所以，关键性的难题是如何实现主动柔顺控制。传统的设计是通过控制位置达到控制力的效果，而在研抛过程中，基于位置控制的加工对精度的影响远大于对研抛力控制的影响，所以怎样解决力和位置的耦合问题是实现力的控制是一个棘手问题。在效率方面，固着磨料砂轮研抛有着很
12、高的加工效率，在研抛过程中固着磨料与被加工工件表面接触，避免了研抛过程中磨料因与工件和抛光模单点接触而产生应力集中的现象，同时有效的提高研抛工具的寿命。本文在数控车床上研发一套恒速恒压的柔顺研抛加工装置，即通过控制研抛2法向力实现柔顺研抛，对探索新型非球面精密加工技术有着现实性意义。12国内外研究现状分析121非球面精密加工设备现状世界各国都非常重视非球面精密加工技术的研究与设备的研制，并为此投入了大量的人力、物力和财力。我国从20世纪80年代后期开始进行CCOSCOMPUTERCONTROLLEDOPTICALSURFACING技术的研究，南京紫金山天文台、北京理工大学和清华大学等单位分别研
13、制了P型和XY型实验机床，并进行了一些计算机控制研抛过程的原理性研究；1997年浙江大学对光学非球面自动加工技术进行了研究，取得了一定的成果；长春光机所研制出了FSGJ1数控非球面光学加工中心，加工精度可达/20；1998年成都精密光学加工中心从俄罗斯引进了先进的AD100型三轴抛光机床1820。美国国防部所确定的未来的22项关键技术中大部分都和光学元件有关21。在巨额资金的支持下，美国在光学元件的超精密加工技术和设备方面取得了很多重大成果，居于世界领先地位22。美国光学零件加工技术的发展是为了满足国防的需要，能源部激光核聚变任务以及海陆空三军制造技术开发计划等对光学零件超精密加工技术的研究开
14、发投入了大量人力和物力，成功地研制了一系列的专用及通用机床。其代表作是1983年LLL实验室研制成功的DTM3型超精密金刚石车床，该机床可加工2100MM、质量为4500KG的光学零件，及1984年研制成功的大型光学金刚石车床LODTM23，如图11示。图11美国LLL实验室的大型光学金刚石车床（LODTM）3美国摩尔公司研制的主要用于光学零件和模具加工的NANOTEEH500FG超精密自由曲面加工机床，加工直径达250MM，长度达150MM。该机床采用多轴动方式，直线坐标轴和高速磨削主轴采用液体静压轴承，旋转坐标轴和工件主轴采用空气静压轴承，并选用高精度滚珠丝杠作为直线轴的驱动，工件的加工精
15、度达到50NM24。1工作台2测量基准架3测头4向参考光束5溜板龙门架6砂轮轴图12英国CRANFIELD公司OAGM2500大型精密机床英国CRANFIELD大学精密工程研究所CPPE与BRITISHSCIENCEANDENGINEERINGRESEARCHCOUNCILSERC联合研制了可以加工大型X射线天体望远镜所用的非球面反射镜的大型超精密金刚石镜面磨削机床OAGM2500（如图12示）。该研究所还成功研制了可加工X射线望远镜的内侧回转抛物面和外侧回转双曲面的金刚石切削机床。CUPE生产的NANOCENTRE非球面光学零件加工机床，加工直径为600MM时，面形精度高于011M，表面粗糙
16、度优于001M2526。此外，比较有影响的光学零件精密加工机床还包括美国PRECITECH公司生产的六种OPTIMUM系列；英国TAYLOR/HOBSONPNEUMO公司生产的OPTFORM、MICROFORM、NANOFORM等三个系列2728；德国KUGLER公司生产的金刚石磨床A系列，微车床D系列，超精飞切车床F系列（如图13示）。4图13德国KUGLER公司生产的FG001精密机床122非球面精密加工技术研究现状下面介绍几种新型的非球面研抛加工技术如图14所示,是一种气囊式抛光技术29。（A）气囊式抛光头结构简图（B）抛光示意图图14气囊式抛光示意图气囊式抛光工艺方法，是20世纪90年
17、代伦敦光学实验室提出来的一种新型抛光方法。伦敦光学实验室在UK粒子物理、天文学研究委员会和5工商界的资助下，对气囊抛光理论和技术进行研究，并与ZEEKO公司合作开发了IRP系列气囊抛光机床，取得了丰硕的成果，为气囊抛光技术的发展做出了很大的贡献。气囊式抛光工作原理是被加工件随着工作台自转的同时在水平方向和垂直方向按一定的轨迹移动,以此来保证抛光头磨削被加工件任意点时都保持恒定的接触面积和研抛压力。由于抛光过程中采用工件台转速为主切削力,在整个加工口径内进给速度恒定，可通过抛光运动控制软件来控制抛光气囊与被抛光工件表面的相对位置,改变抛光接触区面积,可通过气囊内部的压力而调节抛光压力。气囊式抛光
18、技术的缺点是抛光效率较低,越接近工件边缘,其粗糙度越大,去除量越低，而对边缘处以外的地方去除量基本一致,抛光效率比边缘处高。随着磁流变技术的发展及应用，磁流体抛光技术又称为磁流变抛光技术（QED），是将电磁理论、分析化学、流体力学等应用于超精密加工的一项综合技术。磁流变抛光技术实际上是一种计算机控制磨头的抛光技术，这里的磨头是磁流变抛光液在磁场作用下形成的柔性磨头，其形状和硬度可以通过磁场对其实时控制3032。通过对工件各个带区在抛光区滞留时间的控制来控制去除量进行加工面形，如图15示。图15磁流变抛光原理图但是单一的通过控制磁场强度来控制接触剪切力的方法不能得到一致的加工表面精度，所以现在的
19、磁流变抛光技术在探索建立一套通用的去除率模型。620世纪90年代兴起的新型化学机械抛光技术（CHEMICALMECHANICALPOLISHING,简称CMP）从加工性能和速度上同时满足了回转圆片形状的加工要求。CMP技术是机械磨削和化学腐蚀的组合技术，它借助超微粒子的研磨作用及浆料的化学腐蚀作用在被研磨的介质表面上形成光洁平坦的加工表面3334。其工作原理图如图16所示。图16CMP工作原理图虽然CMP技术发展的速度很快，但需要解决的理论及技术问题也很多。如人们对诸多抛光参数（如温度、压力、转速等）对平面度的影响、抛光垫浆料片子之间的相互作用、浆料化学性质（如组成、颗粒度、PH值等）对参数的
20、影响等机理的了解比较少，因而要定量确定最佳CMP工艺，系统研究CMP工艺过程，建立完善的CMP理论模型，还有一定的距离。总体来说，国内对非球面精密加工技术的研究还处于试验阶段，所研制的非球面精密加工设备还存在很多问题，如主要通过提高机床设备的精度来提高所加工的零件的加工精度，成本费用很高；由于多采用精细的刀具车削加工，所以加工过程中刀具与工件表面单点接触容易出现应力集中的现象，而且加工效率较低；研磨抛光工具的结构和加压方式仍需进行深入的研究探索等。123柔顺控制技术研究现状在柔顺控制研究中，柔顺性被分为主动柔顺性和被动柔顺性两种所谓主动柔顺性，是利用力的反馈信息采用一定的控制策略去主动控制作用
21、力；而被动柔顺性，是凭借一些辅助的柔顺机构，使其在与环境接触时，能够对外部作用力产生自然顺从。被动柔顺机构是指一些可以使机器人在与工作环境作用时，能够吸收或储7存能量的机械元件（如弹簧、阻尼等）而构成的机构。由于被动柔顺装置的专用性比较强，适应能力较差，使用范围受到限制，所以主动柔顺控制成为一个有效的控制方法。主动柔顺控制也就是力的控制，在设计机器人力控制结构中，主动柔顺控制研究的首要问题是处理力与位置控制两者之间的关系。有关力控制的研究都是从不同的角度对控制策略进行分析，目前从机器人依从运动的特点来看，主要可以总结为四大类阻抗控制策略、力与位混合控制策略、自适应控制策略和智能控制策略3537
22、。但总体而言，虽然目前在主动柔顺控制策略上已经有了很多方法，但是大多都处于理论研究和探索阶段，切实可行的主动控制方法仍在进一步研究。13本文研究方法与技术路线131研究方法数控车床是一种高精度、高效率的自动化机床，而且一般具有直线插补、圆弧插补等功能，并在回转零件的批量生产中具有良好的经济效果。在插补中，刀具不能严格地按照要求加工的曲线运动，只能用折线逼近所要加工的曲线轨迹。也可以说，数控车床的插补运算方法是已知曲线上的某些数据，按照某种算法计算已知点之间的中间点，此方法也称为“数据点的密化”。由于非球面加工主要是靠数控车床的内外插补方法来实现，所以原理上存在着插补误差。图17是数控车床加工非
23、球面的示意图，通过插补算法可以明显看到加工后的非球面的表面是由一个个微小的阶梯构成的，从而形成了较大的形状精度误差。图17车削非球面示意图8因此，本文建立了以数控车床为载体的柔顺研抛模型，如图18所示。图18非球面研抛示意图本文在两轴数控车床的基础上增加了一个旋转的运动，可以看做是在X、Z和方向上运动的合成，因此系统的加工过程可以达到仿形加工的目的。通过在轴上输入一个恒定的扭矩，保证在研抛过程中研抛工具的运动方向的切向矢量与该处工件轮廓的法向量垂直，进而确保加工力臂的恒定，从而达到了恒定研抛力的柔顺研抛效果。132技术路线本文以控制研抛法向力为手段，综合应用现代控制理论、柔顺控制技术、数控技术
24、等先进技术，在不改变原有数控机床的基础上，通过研究基于力反馈控制的柔顺研抛系统，从而实现数控研抛非球面加工过程中的研抛法向力的控制，具体的工作内容如下（A）非球面研抛工具系统的研制在不干涉数控机床正常工作的条件下，设计一套能克服数控车床插补误差并能达到仿形加工效果的研抛工具系统。（B）非球面研抛法向力的控制探索一种数控研抛力控制策略，在分析已有的力控制策略的基础上，设计一种适用于非球面研抛法向力的控制策略，能对研抛压力进行主动控制，保持研抛力基本恒定，从而实现恒压力研抛加工。研抛加工实验研究在基于以上的研究结果的前提下，利用本文的研抛工具系统进行的研抛加工实验，并对实验结果进行分析研究。92非
25、球面精密研抛系统设计21非球面研抛技术工作原理研抛加工一般是零件加工的最后一道工序，对表面质量和精度要求很高。目前，繁琐复杂的加工过程及较低的自动化程度，导致非球面精密加工中存在许多难题3839（1）研抛加工质量的影响因素很多，如工作温度、研抛工具与工件的相对速度、研抛压力、研抛路径等。现有的条件无法对其所有的因素进行全面的研究与分析，只能得出局部适用的经验公式或定性结论。（2）研抛工艺和研抛过程十分复杂。研抛工艺系统是一个非线性系统，研抛参数与研抛质量不存在简单的线性关系，目前为止无法给出较准确的数学模型；研抛工艺系统是一个分布参数系统，组成系统的参数与空间坐标有关，如研抛工具与工件之间的相
26、对运动在工件表面划过的轨迹与研抛参数有关，从理论上讲工具在工件表面划过的轨迹是不均匀的；研抛工艺系统是一个时变系统，研抛环境温度变化、研磨工具的塑性变形和磨损、抛光液和PH值变化等都对研抛质量都有影响。由此可见，要得出一种研抛参数和研抛质量的通用数学模型是十分困难的。（3）机械作用在研抛过程中起主要作用，即研抛正压力、切向力、驻留时间、研抛轨迹，而它们的联合作用、累积效应等都非常难确定。由于系统刚度的存在，研抛过程柔顺控制包括力、位置、位姿的综合控制。有学者把实际力控制过程分为两个基本运动状态以及这两个状态之间的转换A自由空间的运动当操作在自由空间运动时，它控制位移且同时监控力，任何非期望力的
27、出现都标志着严重的错误状态。B约束空间的运动当操作器被环境约束时，它控制力而不监控位移，任何非期望位移的出现都标志着严重的错误状态。C两种状态空间的转换从非接触状态到接触状态或从接触状态到非接触状态，控制和监控的模式都需要转换。随着接触产生的作用力的出现，当达到期望的接触力时，控制模式从位置控制模式转换到力控制模式并保持接触力的期望值；随着接触的中断，相互作用力变为零，控制模式从力控制模式转换到位置控制模式。任何一个实际的力控制任务都要经历非接触和接触两种状态，以及由非接触到接触再由接触到非接触的两次转10换，任何描述均需要建立两种状态和转换模型。有人认为研磨工具系统的柔顺性运动控制可看作是纯
28、位置控制与纯力控制这两组概念的折中。它既不同于纯位置控制时研磨工具系统具有笛卡尔空间全部6个位置的自由度，可以在自由空间沿任意方向运动；也不同于纯力控制时研磨工具系统拥有全部6个力的自由度，可以向任何方向施加作用力，而是当研磨工具系统的位置自由度部分受到约束时的控制问题。如何将耦合的位置和力进行分别控制是研抛加工过程中的一个关键性问题。22恒速恒压研抛系统设计针对上述问题，本文开发了恒速度恒压力的数控研抛系统。工艺研究表明，非球面研抛过程的控制主要包括研抛压力的控制、加工轨迹控制、主轴转速和进给速度控制等。为了保证加工的速度、精度和效率等，在以下几个方面作了努力（A）根据研抛扭矩的大小自动控制
29、研抛力的输出，保证工件上的法向研抛压力恒定。（B）采用自动编程软件，规划加工路径。提取所要加工工件的几何信息和加工工艺信息，经过分析处理，将轨迹导入自动编程软件MASTERCAM，通过参数设置、有效链接和处理，把自动生成的NC代码输入CNC系统中，完成加工路径规划、切削轨迹生成和有效位姿等操作，从而实现了研抛工具位置控制的目的。（C）总结非球面研磨的工艺方法，并通过实验对比，探究各因素对加工效果的影响规律，为研磨过程中的自动化和高效化提供依据。对上述研究结果进行分析，为了实现数控研抛系统的自动控制，对以下模块进行开发MRF力矩伺服装置控制及软件开发；工件轮廓与研抛加工路径数控编程规划和研抛工具
30、位姿的控制。23硬件部分本文中柔顺研抛工具系统是通过实时采集MRF力矩伺服装置的输出11扭矩，调节激励电流而得到恒定扭矩，进行恒压力研抛，从而实现均匀去除的目的，其装配图如图21所示。1、6带传动2固定托板3直流电机4MRF力矩伺服装置5扭矩传感器7转轴8研抛工具9车床刀架图21柔顺研抛工具系统按功能可以将柔顺研抛工具系统硬件部分分为三个模块恒扭矩提供模块，测试传感模块，研抛工作模块。1恒扭矩提供模块恒扭矩提供模块是研抛加工法向力的动力来源，由图21中的1、3、4、6组成。该模块的核心部分是MRF力矩伺服装置。影响MRF装置扭矩输出的主要的两个量是输入轴的驱动转速和线圈的激励电流，通过控制输入
31、轴的驱动转速（由直流电机提供）和调节激励电流（由可编程电流源提供），达到控制MRF装置输出扭矩的目的。本模块所涉及到的主要设备有12（A）MRF装置（B）直流无刷电机（C）可控电流源（D）直流稳压电源图22设备实物图3MRF装置MRF装置的机构图如图23所示1左壳体2轴承压盖3转轴4角接触球轴承5励磁线圈6隔磁环7胶圈8油封9轴套10阻尼盘11右壳体图23MRF装置机构图13根据实验所需研抛力在030N，设计最大输出扭矩为3NM的MRF离合器，详细参数如表21所示表21MRF装置结构参数参数值备注励磁线圈400匝铜线阻尼盘66MM45钢上/下阻尼间隙各15MM恒值间隙值隔磁环70MM壁厚4MM
32、（铝）（B）直流无刷电机无刷直流电动机是以自控式运行的，不会在转子上另加启动绕组，也不会在负载突变时产生振荡和失步，作为MRF装置输入轴驱动转速的动力来源，保证MRF装置更稳定的工作。（C）可控电流源根据MRF装置所需励磁电流的大小及系统控制的要求，选取由亚锐电子有限公司设计制造的单路可编程直流电源ARRAY3645A，该直流电源特点为体积小，输出噪音低，带有背光LCD显示器，具有快速按键输入、旋钮输入，另外通过软件串口编程可由计算机控制；有恒压输出、恒流输出、程控输出等多种工作方式；可设定最大输出电压和最大输出功率。输出电压036V,输出电流03A，最大输出功率108W,通讯接口RS232/
33、RS485/USB，如图23C为可编程直流源的实物图。（D）直流稳压电源该电源的主要作用是为直流无刷电机和传感器提供电压，根据精度和其他要求选取WYJ系列可调直流稳压电源。WYJ系列可调试直流稳压电源是一种电压、电流连续可调、稳压与稳流自动转换的高精度直流稳定电源，输出电压可从零伏起调，在额定范围内任意选择，限流保护点可任意选择，输出电源在额定范围内连续可调，与开关电源相比，它具有精度高、纹波小、无高频辐射干扰等优点。2测试传感模块14测试传感模块的主要功能是实时采集加工过程中传递到转轴上的变化扭矩，通过调节电流源，实现了反馈控制，其结构图如图24所示图24测试传感模块结构图测试传感模块的主要
34、设备有A扭矩传感器BNIPCI6221采集卡图25主要设备实物图（A）扭矩传感器扭矩传感器是MRF装置反馈控制系统的关键组成部分，用于实时检测MRF装置实际输出的阻尼力矩的大小。由于传感器工作是扭转状态，无相对转动相位差，所以不能采用相伴差测试传感器，根据MRF装置所提供的最大扭矩在3NM左右及系统安装和响应控制的要求，本文选用的是宁波镇海传感器厂生产的ZNB型扭矩传感器。该扭矩传感器既可以测量静态扭矩，也可以测量动态扭矩。具有精度高、稳定性好、抗干扰性强的特点，并且不需要反复调零即可连续测量正反转扭矩，没有导电环等磨损元件，可以高转速长时间运行，其输出高电频率信号可直接送计算机处理。BNIP
35、CI6221采集卡根据本文系统测试要求，采用NI公司的低价位M系列多功能数据采集卡15NIPCI6221，主要性能参数如表22表22NIPCI6221卡性能参数模拟输入模拟输出通道数16SE/8DI通道数2采样率250KS/S更新率833KS/S分辨率16BITS分辨率16BITS最大电压范围10V最大电压范围10V最小精度112V精度范围3230V3研抛工作模块该模块安装于转轴一侧，在带传动传递来的扭矩的作用下，使工具系统与加工工件接触、加工。按照研抛方式将其划分成三种抛光工具自适应式抛光工具、非自适应式抛光工具和气囊式抛光工具。图26所示是自适应式抛光工具实物图，其工作原理是抛光工具系统通
36、过固定板固定在转轴上，支撑架前端抱紧中轴，另一端固定到固定板上，羊毛抛光盘借助胶带粘在工具表面上，系统可以借助装有角接触球轴承的中轴自由旋转，研抛加工过程中工具头在研抛力的作用下可以自动适应工件表面。图26自适应式抛光工具图非自适应式抛光工具的工作原理是通过锁定螺钉限制了研抛工具沿中轴旋转的自由度，从而使研抛工具与加工工件刚性接触。图27所示是气囊式抛光工具实物图16图27气囊式抛光工具图本文抛光工具是由带传动传递来的扭矩使气囊与工件接触，通过有效调节控制MRF力矩伺服装置，而不是改变气囊内部压强而获得恒定研抛力。173柔顺研抛去除机理与成型机理研究31柔顺研抛去除机理PRESTON假设认为，
37、工件表面某一加工点的材料去除量和工具与工件表面的相对运动速度、接触压力和加工时间成正比40,TYXVTYXPKDTTYXDH（31）式中H在加工点（X，Y）处的去除量，P该加工点处T时刻工具与工件间的压力，V该加工点处工具系统与工件的相对运动速度，K比例系数，与模具材料、磨料颗粒和切削方式有关，在一定的加工条件下，将K认为常数。也有些学者为了描述模具自由曲面抛光时表面的去除情况，提出表面去除廓形的概念41。表面去除廓形是指模具表面沿垂直于抛光轨迹方向的表面去除深度。通过数学建模得到的表面去除廓形的理论方程2322314223118XRFKEKRREFVHVVKXHNCEQNFVF（32）式中K
38、抛光工具与模具表面在接触处的相对主曲率，V圆柱磨头的切线速度，VF圆柱磨头的进给速度，HV软表面的硬度，FN法向抛光力，EC接触弹性模量，REQ等效半径。由式32可知，表面去除廓形的形状为抛物线，它与法向抛光力、抛光工具与模具表面的几何特性、抛光工具的切线速度、进给速度以及抛光工具与模具的材料等有关。还有些学者根据根据摩擦学原理42，提出了以下的理论模型WTVPKH（33）式中H去除量，P接触压力，V工具与工件的相对运动速18度，T工具工作部分在工件表面的停留加工时间，W磨料颗粒的粒度，K比例系数。由以上模型可知，在研具材料、切削液等一定的情况下，影响研抛表面质量的主要因素有研抛法向正压力、工
39、件和研抛工具的相对速度、驻留时间等。为保证工件加工过程中的均匀去除，需要对数控研抛下的工件去除机理进行研究，根据PRESTON去除理论，表面材料的去处量H为DTTYXPTYXVKTYXHT0,（34）如图31，若数控车床恒转速为N，进给速度为进V研抛加工时，设在工件半径为R处，工件R处线速度为V，研抛压力为P，加工T时间内走过的带宽为R，进给量为F，环形带的面积为S，表面材料的去处量为H则有NRV235FNV进36进VRT/37RRS238由于V进V,因而工件与研抛工具的相对速度可以近似看做是工件R处线速度V，则工件单位面积的去除量为FKPSTPVKSH39如果采用恒线速度恒V加工，R处工件转
40、速为N，加工T时间内走过的带宽为R，研抛压力为P，进给量为F，进给速度为进V，环形带的面19积为S，表面材料的去处量为H，则有RVN2/恒310NFV进311进VRT/312RRS2313FKPSTPVKSH恒314图31非球面工件研抛示意图由式39和314可知，在数控研抛加工过程中，工件单位面积的去A向20除量只与系数、研抛压力和进给量有关。如果保证相同的进给量，有效的控制研抛压力就能达到数控研抛均匀去除的目的。但是，每一微元上的去除量对根据表面质量也非常重要，由微元去除模型式34可知，去除量和工具与工件的相对运动速度、驻留时间有关。由于本文研抛系统与不同变速方式的数控车床有关，所以应该针对
41、不同功能数控车床分别讨论。当采用数控机床主轴转速可以无限变速时，非球面工件各点的线速度可以基本达到恒定，恒进给速度可以根据数控代码实现，可以通过控制研抛力恒定而实现研抛量均匀去除；当采用数控机床主轴转速是档位制时，在同一研抛力和进给速度的情况下，由于非球面工件在同一转速下的各点的线速度不同，导致各点处的研抛去除量不同，从而影响工件表面质量。所以，讨论档位变速的数控车床的研抛工具系统的加工过程很重要。本实验采用档位变速两轴数控车床，型号为CAK6150DJ机床，具体档位表参照表如表31。表31机床CAK6150DJ档位表档位L（R/MIN）M（R/MIN）H（R/MIN）S41124751800
42、S3803351320S256236900S140170640由表可知，机床CAK6150DJ分为低，中，高三档分别用L，M，H表示，三个档位下面又分别有四个转速。机床工作时一次加工只能使用一个档位，同一个档位主轴只有四个转速，而同一转速下工件加工点处线速度不尽相同。按照工件轴截面上各点X轴向数值的差值等分，可以把工件轴截面对应分为四段，如图32所示。21图32按工件轴截面各点差值速度分级图中X轴表示数控机床坐标下的Z轴方向，Y轴表示数控机床坐标下的X轴的方向。其中到区处工件的曲率半径依次增大，为使工件在加工点处的线速度一致，选择转速级别时应从最高转速到最低转速依次减小。比较分析L、M、H三个
43、档位转速下工件各点的线速度，可知选用L档时，各点处的线速度误差最小，如图33所示。图33工件轴截面各点线速度随点位置变化图划分L档转速区选择112R/MIN，区选择80R/MIN，区选择56R/MIN，区选择40R/MIN。因为研抛工具进给速度TVF1，可通过分段设置进给速度VF降低加工点处线速度的跳跃，而进给速度VF可以很方便的在数控程序中修改。为22保证CDTVP（恒值），可通过调节输出扭矩的大小控制研抛力的大小，从而保证DTVP曲线趋于平滑，最终在原理上可以达到均匀去除的目的，如图34所示。图34研抛加工各点处DTVP变化图为了使实验易于操作，图34中所示是选取6种进给速度后得到的加工曲
44、线。如果为使曲线更为平滑，可以有效地选取多种进给速度实现。32柔顺研抛工具系统接触应力分析研抛工具与加工工件的接触方式大致分为点接触、线接触和面接触三种，而研抛加工时的有效研抛面的形状可总结为平面，柱面和球面三种。当柱面与球面形研抛工具加工球面或非球面的工件，或是球面形研抛工具加工其它形状的工件时为点接触，接触点微观形状为圆形或椭圆形；当平面与柱面形研抛工具研抛圆柱、圆锥形等轴截面为多边形的工件时为线接触；当平面形研抛工具加工平面性工件时，接触方式为面接触，此时接触应力就是一个恒定值。本文研究的非球面研抛加工，不存在面接触方式，所以主要研究下点接触与线接触两种方式下的接触力情况23（1）点接触
45、研抛工具与工件在研抛力作用下相接触于O点。设两物体在接触点处各自的两个正交主平面上的曲率半径分别为R1X、R1Y和R2X、R2Y，正交主平面和公切面的交线为坐标轴X1、Y1和X2、Y2，两组坐标轴夹角为，设综合曲率半径为R0，则1111122110YXYXRRRRR315接触面为椭圆，设椭圆长半轴为A，短半轴为B，则可以表示为31013EFRA31631023EFRB317而K1和K2是根据几何参数K0所确定的常数，则212211222211002COS111121111YXYXYXYXRRRRRRRRR318图35椭圆接触示意图24图36接触应力分布在接触椭圆表面上接触应力按椭圆分布，其最大
46、接触应力P0作用在接触椭圆中心，且ABFP230319当两个球体相互接触或一个球体与平面相接触时，R1XR1YR1，R2XR2YR2或R2X、R2Y为无限大，故K00。此时，K1K21，证明接触面为圆形，设其半径为A，则313102343EFREFRA32021111RRR321此时，最大HERTZ接触应力P02023AFP322（2）线接触研抛工具与工件接触在研抛力的作用下相互挤压，形成长方形的接触面。根据HERTZ43接触理论，设接触带半宽为B25218LEFRB323式中，F为研抛正压力，R为当量曲率半径，L为圆柱体长度，E为当量弹性模量。BBF抛光盘工件接触面图37线接触示意图在接触面
47、上，HERTZ接触应力成半椭圆分布，即212201BXPP324则最大HERTZ应力P0为BLFPPC240（325）平均接触应力为BLFPC2（326）33柔顺研抛成型机理331研抛工件动力学分析及工具路径规划在非球面柔顺研抛加工过程中，为保持研抛压力恒定，需对研抛力FN进行控制。在实际加工过程中，为获得正确的研磨压力，需要建立FN的数学关系式，柔顺研抛系统加工非球面工件时的力学模型如图38所示。26图38研抛系统力学模型其中L1为研抛工具头的杆长，L2为MRF力矩伺服装置输出轴中线到研抛工具的力臂长，MR为MRF力矩伺服装置输出的扭矩值，则当工件接触法平面与研抛工具连杆所在平面夹角为时，研抛力FN为COS2LMRFN（327）由于研抛质量受研抛工具位置变化的直接影响，所以研抛加工过程中对位置的控制也至关重要，因此需要对研抛工具进行轨迹规划4448，根据作业任务的要求，计算出预期的运动轨迹，研抛系统加工路径模型如图39所示。图39研抛系统加工路径模型非球面工件的轴截面可以表达出工件的轮廓特征。轴截面可以用二维空间的一条曲线YFX表示。设（X，Y）是任一
