经济型抛光机械轨迹控制及柔性化系统研究

孙宏成

（沈阳理工大学机械工程学院，辽宁 沈阳 110159）

经济型抛光机械轨迹控制及柔性化系统研究

孙宏成

（沈阳理工大学机械工程学院，辽宁 沈阳 110159）

抛光是机械加工中的常见工艺，也是一项十分重要的工艺，它最终决定了工件的表面质量，间接影响到工件的使用寿命。随着技术进步，各种抛光方法层出不穷，但是机械抛光方法仍然是抛光工艺中主要采用的方法，这一点在机械制造行业尤为突出。本文通过对抛光轨迹规划进行讨论，从自由面与曲面两个方面对抛光机械轨迹控制进行分析，讨论其设计原理与方向，为相关专业提供一定的参考依据。

抛光；机械；轨迹控制；系统

1 抛光机械轨迹规划概述

目前在大平面机械零件或钣金产品的抛光工艺中，由于不存在粗抛、半精抛和精抛的过程，许多工厂普遍采用的办法还是工人手持抛光工具对零件进行来回打磨抛光，这种抛光方式对工人的技术水平要求非常高，但是由于这类操作工人普遍工作时间长，任务大，在抛光过程中很难保证抛光力的恒定，也不能保持抛光轨迹的均匀性。

1.1 常见抛光轨迹

抛光工艺看似简单，但真正还要达到满意的效果还需要考虑很多因素。在对该工艺的自动化研究中，各国学者对进行了大量的研究，研究领域主要集中在计算机控制抛光系统、抛光轨迹规划、表面粗糙度的工艺控制、抛光过程中的材料去除研究等方面，其中抛光轨迹研究又是这些研究中的热点和重点。

平面研磨抛光轨迹是模具型面抛光轨迹的基础，指的是加工过程中抛光工具与被抛光工件的相对运动轨迹。在现实生产当中，抛光轨迹主要指磨粒相对工件的运动轨迹和工件相对工具盘的运动轨迹，保证抛光轨迹的均匀性在抛光过程中非常重要，它保证了工件表面各点有相同的材料去除概率、抛光工具磨头的均匀磨损和抛光质量。

在针对抛光轨迹研究中，模具数控加工现有的刀轨算法是不能直接套用的，目前在对于抛光机械轨迹方向的研究和实际生产应用中一般采用间接法产生刀具轨迹，即先在空间曲面的二维投影平面上产生平面轨迹；第二步再通过控制刀具中心点轨迹来产生空间轨迹，即通过把平面轨迹映射到曲面上实现空间轨迹规划，目前研究人员普遍采用的做法是借鉴数控铣削加工过程中的轨迹规划方式。综合而言，数控铣削加工轨迹的基本轨迹分为行切轨迹和环切轨迹，在此基础上则根据需要进行了改进和优化。

1.2 抛光轨迹与速度分布

在抛光工艺中，抛光工具通过抛光头与被抛光工件接触形成赫兹椭圆分布，由于采用的抛光头材料和工具尺寸大小不一样，这就使得抛光头接触的近似圆形区域内出现不同抛光效果和表面粗糙度。无论曲面抛光方式还是平面抛光方式，其基本的运动轨迹都是直线和曲线两种走刀方式，通过对这两种方式速度分布的研究和探讨，有助于解决抛光工程中的参数设置问题。

1.3 抛光轨迹设计

抛光轨迹作为抛光工艺的走刀方式，在抛光过程中扮演者这要角色，针对不同的模具型面，研究学者和工程人员将经验与工程实际想结合，开发出了多种加工轨迹，并且在不断的研究和探索中引入计算机技术，成功开发出了多种轨迹生成方法。目前工程应用当中主要采用的轨迹生成方法主要预置轨迹方式、示教轨迹方式和计算机辅助生成模式这三种轨迹生成方式。

1.3.1 预置式轨迹模式

预置式轨迹模式即提前在控制装置或者软件中设置好轨迹模式，工人根据实际情况来调用不同的模式，这种模式因为其程式固定，设备控制和操作简单，开发周期短而被大多数研磨抛光机床所采用，目前一部分抛光用多关节机器人采用的也是这种模式。这种轨迹方式的缺点在于目标轨迹是提前设计好的，不能对其进行二次开发或者轨迹优化，一般适用于生产大批量、固定型号的产品。

1.3.2 示教轨迹生成模式

除此之外有人采用的是示教方式设置抛光轨迹，即在抛光工艺进行以前通过操纵设备来测量一系列的点，通过将这些点数据存入到控制器的内存中，控制器通过计算来拟合抛光轨迹。目前国内一些大学就采用这种方式开发出了不锈钢电水壶曲面抛光设备，他们先通过示教方法采集到电水壶的外形特曲线，再采用三次NURBS曲线拟合的方法对采集到的坏点进行剔除，得到目标零件较为精确的轮廓外形。通过这种方式获得的轨迹不仅需要采集大量的点位信息，而且也必须提前设置大致的抛光路径，对设备和技术要求都比较高。

1.3.3 计算机辅助生成模式

随着计算机技术的不断发展，它成为了机械制造自动化的关键技术，目前计算机辅助设计技术和计算机辅助制造技术已经广泛应用于电子和机械制造等众多机械设计和加工制造领域，其在数控领域的应用大大提高了生产效率和产品的精度与质量。由于CAD技术和CAM技术是一套集成技术，密不可分，因此我们通常将它们合起来称为CAD/CAM技术。抛光工艺本身作为机械制造工艺的一个工序，将其与CAD/CAM结合起来是未来的必然趋势，目前越来越多的研究人员和工程人员开始在抛光工艺中引入这种加工模式。在我国一些高校当中研究人员已经以直角坐标机器人为平台，结CAD/CAM技术实现了点胶机器人的CAD建模与轨迹规划。另外科技人员针对具有复杂形状的模具型腔的抛光工序，通过UG软件的CAM集成模块中的多轴铣削加工功能，利用自主开发的软件在复杂型腔表面规划出了连续的多轴数控加工轨迹。这种轨迹生成模式目前正处于研究和探索中，采用这种方式可以明显提高抛光效率和抛光工艺的自动化程度，但是目前尚缺乏一种通用的CAD/CAM集成系统，同时采用这种方式的成本和技术要求都是非常高的。

2 曲面抛光机械轨迹融化控制研究

2.1 曲面抛光工艺

在抛光工艺中的抛光力是一个影响抛光效果的重要因素，Preston方程成立的基础就是恒定的抛光力。综合各方研究结论来看，抛光力的大小决定了抛光量，抛光力的稳定性和均匀性则深入影响到抛光后表面的平滑程度、精度和质量等。在最初的抛光阶段时研具与工件经调整后接触较为良好，但是经过一定距离后由于研具自身磨损，造成了研具与工件的轻微脱离，以致部分表面的平滑度和光洁度都不是很理想。抛光作业是机械终端研具与外界工件相接触，发生相互影响的过程，这个过程中由于曲面的曲率和型腔深度是实时变化的，抛光机械必须实时感知这种变化才能按照预定的轨迹运动。

2.2 曲面抛光柔性化控制

曲面抛光机械自动化系统实现的关键之一就是使机械具有柔性化，使抛光头能按照曲面外形进行运动，即使垂直轴Z能根据型腔变化调整伸缩长度，水平轴能沿曲面外形进行运动。

针对各轴的控制，我们采用的是伺服电机直接驱动模式，在这种数字控制模式中，各轴的进给量是以脉冲形式控制的，即它们的最小移动单位是一个脉冲。通过相关研究我们可以看出在抛光过程中抛光工具的运动轨迹并不是一条光滑的曲线，而是一段一段的折线，通过折线来逼近曲线。专业化数控系统中常采用专用插补器进行刀具空间运动位置的插补，而针对PLC控制器，可以采用脉冲增量插补的方式来实现各轴空间位置插补，这是一种采用加法和移位就能简单实现插补功能的方法。

除此之外，我们还要了解抛光机械曲面抛光柔化控制的力的控制，机械柔性化实现方式众多，主要分为接触和非接触两种方式。非接触柔性化实现方式只要通过机械视觉处理来实现，即通过在机械末端添加摄像头等设备，借助视觉处理软件来指导机械完成各种动作。而接触柔性化实现方式则是通过机械末端的各种接触传感设备，如力传感器、光栅、编码器等检测元件来实现机械柔性化动作，在这种方式中，采用接触力作为控制元件是最方便和直接的。

3 结语

综上所述，机械抛光技术已经在我国发展和应用了多年，但还有很多理论和技术问题需要解决。针对不同厂家、不同规格的生产，应根据实际情况，对系统过程变量进行调整，使其优化与稳定，从而建立完善适合的抛光工艺。相信在不久的将来，机械抛光技术将会更加成熟与完善。

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[3]刘电飞.基于叶序排布抛光垫的抛光机理的若干研究[D].沈阳理工大学，2013.

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1671-0711（2016）10（下）-0081-02