刮研加工自动化研究现状及发展分析*

李小朋 孙雷雷 刘永红

（中国石油大学（华东）机电工程学院，山东青岛 266555）

刮研加工是通过相互配合的工件表面之间或者工件表面与标准表面之间互研来显示出工件表面的高点，然后用刮刀以微量切削的方式刮去高出的部分，以使工件获得较高的形状、位置、尺寸精度和较小的表面粗糙度值，并改善工件表面配合性能的机械加工方法。

刮研加工的特点是:（1）切削量较小，不会使工件发生热变形，装夹变形也小;（2）刮研加工后的工件表面接触点分布均匀，接触精度比较高，能形成存油空隙，提高表面耐磨性;（3）刮研加工不受工件大小、位置约束，加工自由度大，不像机床加工要受工作台约束，并可将工件有意识地加工成中凹或中凸等特殊要求。这些优点决定了刮研加工不能被普通的机床切削取代，哪怕是现代高精密的机床也需要刮研加工。刮研工艺通常应用于机床的滑动导轨面、精密齿轮、各种工作平台和滑动轴承的轴瓦等重要零件表面的精加工和修配作业，对产品寿命和可靠性至关重要。

刮研工艺一般属于钳工加工的范畴，其过程包括清洁工件、涂抹显示剂、研磨显点、刮削和检测等具体操作。目前，刮研加工基本停留在手工操作的水平，除了可以人工手持动力刮刀代替人力来刮去高点，其他工作基本全由人力完成，工人劳动量大，对工人的经验和技术水平要求较高，加工效率非常低，加工质量难于保证。工厂中，刮研技艺一般以师徒相传的形式传承，培养周期较长，成才率低，制约着该工艺的应用和发展。

为了提高刮研技术的加工效率和加工质量，降低对工人技术水平和实践经验的要求，长期以来人们不断地进行着刮研加工机械化和自动化的研究工作，在动力刮刀、刮削质量检测和刮研整机的研发等方面取得了一定的成果。

1 动力刮刀的研究及应用

动力刮刀又称为自动刮刀、动力式刮研机等，它通过刀片的振动、旋转等动作代替人力去除工件材料，但仍需人工手持进行定位，其切削压力等也需要人工进行控制。根据能量来源不同，动力刮刀一般分电动、气动等类型，它的使用可以在保证刮削质量的前提下，大大降低工人的劳动强度并提高刮削效率。

动力刮刀原理一般都是通过机械传动机构将旋转运动转化为刀具的直线往复运动。国外对此研究很多，并申请了众多专利，但是由于可靠性等问题，真正实用的并不多见。

Anderson发明了一种表面工作机，工具的往复运动由机械能提供，需要人工手持引导动力工具在工件表面加工，可用于刮削工艺［1］。该装置尺寸较大，工具的一端需要1个横梁或者导轨作支撑，结构和操作较复杂，实现起来比较困难。KIROV NIKOLAJ V等人发明的动力刮刀通过圆锥齿轮将旋转运动传给曲柄连杆滑块机构来实现刀具往复运动［2］。Aspeek采用电动机带动端面凸轮的形式为刮刀提供切削动力，刀具后退的动力由工件表面和刀尖的接触压力提供［3］。这种只有前进时才提供动力的刮刀可以减少刀具后刀面的磨损，并能避免刀具回退时划伤工件表面。

目前，在国外动力刮刀应用最广泛、最具有代表性的是瑞士BIAX机器股份有限公司生产的系列电动刮刀及其配套刀片和附件［4－5］。该刮刀自20世纪50年代末开始申请专利，其原理是无级调速电动机输出的转矩经降速齿轮传给1个特殊的摇摆传动机构，将电动机的旋转运动转化为刮刀的直线往复运动，并且行程可通过调整摇摆机构的偏心大小进行大范围调节（一般为0～20 mm），刀头往复的冲次最高可达2 400 min－1。BIAX系列电动刮刀自身质量从2.7～4.7 kg不等，消耗电源功率为几百瓦，不同刮刀可以分别或者同时适应平面重载刮研、标准刮研、高精刮研、油密气密刮研。配备特殊刀片时，还能用于燕尾槽、棱形面等特殊表面的加工，有的型号还可用于半月型刀痕刮削。据称，使用该刮刀时刮研效率是普通手工刮研的5倍，并且精度也会大大提高［6］。但该工具在中国应用并不多，应该与其价格高昂有关（国内市场上价格约3～4万元/把）。同时，该公司也生产气动类型的动力刮刀，可在没有电源的情况下或者在不允许使用电源的情况下使用，其使用和电动刮刀基本相同。

国内也有一些动力刮刀相关专利，但未见有成熟应用案例报道。崔宝林于1994年提交了一种冲击刮刀的专利申请［7］，该刮刀刀柄后端连接有电磁式激振器，用电磁线圈的激振力提供刮削能量。王行贤等人的实用新型专利［8］提出的电动刮刀由电动机及其调速部分、减速机构、刮研动作执行机构和提绳及刮削刀具等组成，其特征是电动机采用市售冲击钻电动机、手把及开关部分，并在手把内安装由可控硅电路和电位器组成的电动机无级调速装置。据称，其成本仅相当于进口产品的1/6。谢祖琴设计了1个旋转式刮刀结构［9］，将电动机动力通过1个软轴输出到1个镶齿的回转刀具上，用于代替三角刮刀进行轴瓦的粗刮和半精刮。

动力刮刀推动了刮研工艺的应用和发展。但其缺点也很明显:刮刀刀头只是往复直线运动，回程没有抬刀动作，回程时刀尖也有磨损;每一刀刮削前没有人为下压刀片动作，刮削后也不容易控制上抬等动作;刀迹变化灵活性小，刮花操作受限制较多;由于是刀头的高频振动，刀痕形状和大小难于控制。动力刮刀的应用同样也需要经过一段时间的培训和经验积累才能充分发挥其潜力。这些因素也限制了其推广应用，特别是在精密刮研的场合。

2 刮削质量自动检测方法研究

刮研的目的是为了减小表面粗糙度值，提高接触精度和几何精度，从而提高机床的配合精度、配合刚度、润滑性能、机械效率和使用寿命。从刮研加工工艺的角度，刮削质量可由高点分布的均匀性和高点分布密度来衡量。其方法是将工件表面与标准表面之一均匀涂上颜色，然后将两者对研，工件上的高点就显示出来了，这个过程叫研点。研点后，再观测高点的大小、密度和分布均匀性等指标。该过程繁琐，对工人的要求较高，测量结果受人为因素影响较大，而且每刮削一遍，都要重复一次这样的过程，这也是严重制约刮研效率提高的一个重要原因。

日本九州工业大学竹内芳美等人在1986年就利用线型CCD摄像头对平面刮研工件表面检测进行了相关研究，将工件染色以凸显检测高点，利用线型CCD摄像头取像演算，建构出此平面的表面信息，来作为平面刮研的信息［10］。而堤博贵等人在1996年提出的自动刮研机构当中，同样也使用CCD摄像头拍摄沾染颜料显示高点后的刮研工件，并利用数字图像处理方法来确定高点［11］。

周睿程等研究了由一般DVD读取头发展而成的刮削表面测量系统，此系统包含有一套激光探头模块及XY移动平台，其中激光探头模块包含有1个DVD读取头及1套影像采集设备，可由失焦信号（FES）表示一点的高度变化。通过影像采集设备则可清楚看见工件表面的沟槽轮廓，然后控制XY平台以Z字形移动，可测量出整个刮削面表面轮廓。通过更换DVD前方聚焦用物镜，可以改变测量范围（300 μm、30 μm、15 μm和4 μm），根据测量结果，判断出不合格或是不适当的位置，也可对凹坑深度进行测量［12］。

觉文郁等提出的刮研工件自动化检测系统，结合了激光位移计与可编程的双轴以上载具。激光位移计将光束投射至刮研工件表面，可测量刮研工件表面的高度变化，载具装置着激光位移计对需要检测的范围及路径做扫描，再由软件接口给定规划及执行，以驱使激光沿着刮研工件移动，并由自行开发出来的软件接口，做原点设定与采集刮研表面的表面形貌变化的原始数据，再将数据作数值处理，并由Matlab绘出三维与二维半的图标来分析刮研工件的质量［13］。

谢东贤等［14－15］针对传统接触式测量方法的缺点，运用非接触激光探头、CNC精密移动平台和A/D转换卡，配合人机界面开发了自动化光电式滑动导轨量测系统。系统可测量刮研表面的每平方英寸高点数、每平方英寸接触率、高低点分布情形以及高点的高度、边角形状和平坦度等参数，其测量精度达1 μm，并且可测量2种不同材质（铸铁与耐磨片）导轨的三维形貌，测量速率达100 mm/s。

通过研点方法得到的图案来判断刮研质量，是已经被实践认可的成熟方法，通过图像识别来代替人的主观判断是刮研质量自动化检测的一个比较有前途的发展方向。利用激光等先进的非接触式传感器来检测刮研质量的设想很好，如果把这种传感器与导轨坐标系统配合使用，检测粗糙度等工件的微观形貌是合适的，但是用来检测平面度、直线度甚至配合表面的接触质量等宏观精度指标，其检测准确度就会受到导轨误差等的影响，恐怕还有不小的困难需要克服。

3 自动刮研整机的研究

自动刮研整机研制的难度较大，目前还未见有成熟工业应用的报道。现有自动刮研机构一般分为机械手（机器人）式和坐标导轨式2种。

竹内芳美等在前述利用线型CCD摄像头对平面刮研工件表面进行检测的技术基础上，制作成功了机器人自动刮研系统［16］。该系统通过微型计算机对CCD摄像头检测到的研点图案进行分析，判断出哪里需要刮研，然后使用1个装有接触传感器并能灵活伸缩的磨轮来间歇性地磨除工件上的高点。实验证明，该机器人具有从事刮研工作的潜力。

堤博贵等人研制的自动刮研机［17－18］由大尺寸XYZ工作台、专用刮刀和CCD摄像头组成。刮刀固定在工作台上，借助其巧妙的结构，能像熟练工人一样进行刮削操作。人工研点以后，配备彩色CCD摄像头的图像处理系统从工件表面图像中识别出高点（识别率为88.3%）。通过图像位置校正，确定黑点位置，使得工具得以精密定位（精度为0.58 mm）。刮削深度通过黑点大小来确定，以尽可能提高刮削效率并减小刮削误差。该系统刮研的表面平面度为11.6 μm，表面粗糙度为Ra25.42 μm。

国内一些大学和科研机构也在对自动刮研技术进行积极研究，有的已经取得了一定的成果。由于公开文献很少，这里不作详述。

4 刮研自动化发展方向展望

（1）刮研用的动力刀具

动力刀具可以节省工人的大部分体力，使工人更专注于改善加工质量和提高加工效率。但是目前的动力刀具存在这样那样的问题，市场上成熟的机型不多，价格也比较高昂，影响了其推广应用。今后，动力刮研刀具会朝着结构简单、价格低廉、省力高效的方向发展，刮削效果也会越来越符合刮研加工的期望。

（2）高点自动识别技术

高点识别技术是影响刮研加工自动化发展的难点，也是刮研加工自动化最有发展潜力的关键技术之一。现代计算机技术和传感器技术以及微电子技术，必将为刮削质量的检测和高点识别技术带来革命性的发展。其发展方向有二:一是利用传统的研磨显点加上图像识别技术;二是采用更先进的传感器和识别方法，不用显示介质直接检测刮削表面的形貌。黑点识别精确度的提高，对于提高刮研质量，减少刮削次数都将大有裨益。

（3）自动刮研工艺研究

为了保证刮研质量且省时省力，在长期刮研实践中，人们开发应用了诸如手刮法、挺刮法等众多成熟的刮研方法。随着自动刮研的兴起，适应自动刮研加工的新刮研工艺也将会不断研发出来，包括刮研策略、路径、刮削力以及刀迹的控制等。以传统刮研工艺为基础，以当代CNC技术为依托，自动刮研工艺的研究也大有前途。

（4）自动刮研整机的开发

要想充分发挥刮研加工的思想，最大程度提高刮研效率、保证刮研质量，自动刮研机器或者自动刮研系统的研究刻不容缓。以前述几项技术为前提，刮研整机的研究将是水到渠成的事情。该技术可从2个方向发展:一是开发刮研专用设备，利用现代机床、机器人等成熟技术开发整套自动刮研设备，这样做的好处是专用性高，为适应不同刮研场合进行灵活性地开发;二是充分利用现有普通数控切削机床特别是数控铣床和加工中心的软硬件资源，通过软硬件的适当扩展，将自动刮研作为数控机床的一个附加功能，这是刮研技术发展的另一个突破口，也是提高数控机床附加值和市场竞争力的一个途径。

（5）自动刮研的应用

随着技术的成熟，自动刮研不仅用于水平面的加工，也能用于竖直表面的加工;不仅能应用于普通工作平台和平面导轨等形状简单的工件表面加工，而且有望应用于燕尾槽导轨、V形导轨、精密轴承、精密齿轮和其他重要零件的复杂配合表面的加工;不仅能刮研铸铁、碳钢，也能刮研有色金属和非金属材料。

总之，刮削工具和刮研加工整机的研究都将朝着提高刮研效率、降低刮研劳动量，并易于保证和提高刮研质量的方向发展。

5 结语

我们知道机械加工的精度受到原始误差（即工艺系统误差）的影响，由机床加工的工件精度一般不会超过所使用的工艺系统的精度，这就是机床所谓的“母性原理”。根据该原理，机械加工的精度只能越来越低。但我们看到的事实正好相反，机械加工精度是逐年提高的，这与刮研技术的应用是分不开的，刮研工艺是精密机床基本精度的起点，也是精密机械制造的关键技术之一。

目前，国外高精密机床等设备的重要配合表面仍需手工刮研进行加工和装配。国内机械制造行业情况则是能不用刮研就不用，能少用刮研就少用，用磨削代替刮研、用角磨机代替刮刀的情况随处可见。为了提高国内机械产品的精密程度和市场竞争力，我们有必要重新认识刮研这项神奇的加工技术。

刮研工艺的优势决定了其应用不会在短期内消亡，但其告别纯手工刀具的趋势却是必然的。随着刮研加工机械化和自动化的发展，刮研在机械制造中的应用必将越来越广泛，并将继续推动机械制造特别是精密机械制造业的发展，传统的刮研加工方法将获得又一个新生。

［1］F A S.Surface－working machine［P］.US，1331451，1920－02－17.

［2］V K N，A S Y.Power scraper［P］.SU，901003，1982－01－30.

［3］J A R.Power scraper tool［P］.US，3147548，1964－09－08.

［4］Belzner P.Wobble drive［P］.US，2940324，1960－06－14.

［5］Biax professional power［EB/OL］.［2011 08.10］.http://www.biaxschweiz.com/.

［6］Corporation D.Biax power scrapers for hand scraping［EB/OL］.http://www.dapra.com/biax/scrapers/.

［7］崔宝林.冲击刮刀［P］.中国，94103201.9，1995－10－04.

［8］王行贤，常希舜，王子武，等.手持式电动刮刀［P］.中国，2206689，1995－09－06.

［9］谢祖琴.手持电动刮刀［P］.中国，2136093，1993－06－16.

［10］Yoshimi T，Masafumi S，Tetsuya Y，et al.The recognition of bearings by means of a CCD line sensor and the automation of scraping works［J］.Journal of the Japan Society of Precision Engineering，1986，52（12）:2087－2092.

［11］Hirotaka T，Akira K，Teruyuki N.Development of an automatic scraping machine with recognition for bearing of scraped surfaces（1st report）:recognition of black bearing by CCD camera［J］.Journal of the Japan Society of Precision Engineering，1996，62（2）:219－223.

［12］周睿程.一种对于铲花工件表面轮廓的光学量测法［D］.台北:台湾大学，2008.

［13］觉文郁，王泓澍，陈博韦，等.铲花工件检测装置与技术开发［C］.中国机械工程学会第二十六届全国学术研讨会，台南市，2009.

［14］Hsieh T H，Jywe W Y，Huang H L，et al.Development of a laserbased measurement system for evaluation of the scraping workpiece quality［J］.Optics and Lasers in Engineering，2011，49（8）:1045－1053.

［15］谢东贤.工具机导轨精度量测与性能评估［D］.台南:成功大学，2010.

［16］Takeuchi Y，Sakamoto M，Sata T.Automation of scraping works by a robot equipped with a CCD line sensor and a contact detector［J］.CIRP Annals － Manufacturing Technology，1988，37（1）:489－492.

［17］Hirotaka T，Ryuta Y，Akira K，et al.Development of an automatic scraping machine with recognition for bearing of scraped surfaces（3rd report）:construction of automatic scraping machine［J］.Journal of the Japan Society for Precision Engineering Supplement Contributed papers，2005，71（3）:358－362.

［18］Tsutsumi H，Yamada R，Kyusojin A，et al.Development of an automatic scraping machine with recognition for bearing of scraped surfaces－ construction of automatic scraping machine－［C］.//Kengo Fujimaki，Kimiyuki Mitsuieds.Towards synthesis of micro－/nano－systems［C］.London:Springer－Verlag Londcn Limited，2007:355－356.