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 機械科學與工程學院，長春 130022；2.長春工業大學 機電工程學院，長春 130012；3.浙江大學 寧波理工學院 機電與能源分院，寧波 315100；4.理訓中心 空軍飛行實驗訓練基地，滄州 061036；5.北京國電富通科技發展有限責任公司，北京 100070）

0 引言

非球面零件具有非常優良的光學性能，廣泛應用于航空航天、電子和國防等諸多領域[1]。隨著科技快速發展，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量，自上世紀八十年代以來，各種以計算機為主要輔助手段的精密研拋技術不斷涌現，氣囊拋光是其中的一種。

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

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控機床結合引入到柔順研拋技術中，集中體現數控機床剛度大、定位精度高以及磁流變伺服裝置可調可控和響應迅速的特點。基于此，本文研制了相應的基于MRT的氣囊拋光樣機并開展了一系列實驗研究。

1 基于MRT的氣囊拋光系統組成

本文開發的基于MRT的氣囊拋光系統主要包括：磁流變力矩伺服裝置（MRT）、信號采集、信號調節、PC機、可控電源、氣囊拋光工具和數控車床等。基于MRT的氣囊拋光實驗樣機如圖1所示。

由圖1可知，樣機通過底座與數控車床相固定，因此能夠滿足加工過程中的工件旋轉以及速度進給需求；可控電流源提供MRT線圈工作的電流，MRT產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，產生研拋力。通過信號采集與調節實時控制施加在MRT上的勵磁電流，控制MRT的輸出轉矩，進而獲得理想的研拋力。氣囊在電機的帶動下可以自身旋轉，通過調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，就可以達到理想的拋光效果。

圖1 基于MRT的氣囊拋光實驗樣機組成

2 氣囊拋光過程中工藝參數對拋光接觸區特征的影響

氣囊拋光過程中，工件的材料去除是在拋光接觸區內完成的，拋光接觸區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域，可以通過控制氣囊中心與工件表面之間的距離來實現。研究拋光接觸區特性十分必要。為了研究基于MRT的氣囊拋光系統中各工藝參數對拋光接觸區的影響，在如圖1所示的實驗樣機上對鋁制非球面零件進行了拋光實驗。工件直徑50mm，實驗采用的機床是大連機床廠制造的CAK6150數控車床。實驗條件如表1所示。具體實驗過程中，只改變要研究的其中一項工藝參數，其余參數保持不變。

表1 實驗條件及相關工藝參數

2.1 勵磁電壓對拋光接觸區形狀的影響

2.1.1 勵磁電流與MRF力矩伺服器輸出力矩的關系

由于MRT是氣囊拋光系統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。我們通過實驗分析了MRT的輸出力矩與勵磁電流之間的關系。在對勵磁電流范圍0～3A，以0.2A為步長進行仿真計算[4]，將計算結果與實驗測得的勵磁條件下力矩進行對比，結果如圖2所示。

圖2 勵磁電流與MRT輸出力矩之間的關系

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

2.1.2 勵磁電壓對拋光接觸區形狀的影響

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特性的主要參數之一，因此通過改變勵磁電流大小可以改變拋光接觸區的特性。圖3是當勵磁電壓范圍0.5A～1.8 A之間變化時拋光接觸區的變化趨勢。由圖3可以看出，隨著電壓增高，接觸區形狀變化不大，面積顯著增加。因此勵磁電壓（或者電流）是影響接觸區特征的重要參數。

圖3 勵磁電壓對接觸區大小的影響

2.2 氣囊姿態角對拋光接觸區特性的影響

姿態角是指帶動氣囊旋轉的電機軸線方向與數控機床Z軸方向之間的夾角。在氣囊拋光加工過程中，當其他工藝參數保持不變，改變氣囊姿態角，接觸區大小也將發生變化。圖4是拋光接觸區隨姿態角變化時的關系圖。可見，當姿態角從5°變化到35°時，接觸區面積也隨之增大。

圖4 姿態角對拋光接觸區的影響關系

2.3 氣囊壓縮量對拋光接觸區特性的影響

氣囊壓縮量是指以氣囊與工件表面剛接觸（未變形）為起點，通過精確調整機床進給而產生的位移量。氣囊壓縮量不同，與工件接觸時產生的接觸區形狀和大小也會不同。因此壓縮量是影響拋光接觸區特性的重要參數之一。實驗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影響關系如圖5所示。

圖5 氣囊壓縮量對接觸區大小的影響

從圖5中可以看出，拋光接觸區形狀近似圓形，隨著壓縮量增大，接觸區面積也相應增大。當壓縮量較小時（ΔZ=0.1～0.3mm），拋光接觸區形狀對稱性稍差, 這主要是由于此時壓縮量較小，氣囊內部的壓力也較小，導致柔性氣囊不能很好的與工件表面形狀貼合，進而使得拋光接觸區的特性稍差。當壓縮量較大時（ΔZ=0.4～0.7mm），拋光接觸區的面積也隨之增大，且形狀規則，對稱性較好。因此，在實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 氣囊轉速對拋光接觸區特性的影響

拋光實驗中，我們通過改變帶動氣囊電機的轉速來研究氣囊轉速變化對拋光接觸區特性的影響。通過調節電壓使電機轉速分別為100rpm，200rpm，300rpm，400rpm，500rpm，其他工藝參數不變進行拋光實驗，結果表明，氣囊轉速對拋光接觸區特征影響不大。

3 研拋實驗

結合氣囊拋光過程工藝參數的分析，在普通的數控車床上，對非球面零件（拋物面）進行氣囊拋光實驗，實際的拋光效果如圖6所示，具體拋光采用的實驗條件如表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果比較

4 結論

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組成的基礎上，實驗分析了勵磁電流與MRT力矩伺服器的輸出力矩之間的關系，同時研究了勵磁電壓、氣囊姿態角、壓縮量以及氣囊轉速等工藝參數對拋光接觸區的影響規律。得出如下結論。

1）勵磁電流與MRT輸出力矩之間具有較好的線性關系，通過調整勵磁電流的大小，就可以得到理想的輸出力矩，進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）、壓縮量和氣囊姿態角的大小對拋光接觸區有明顯影響。帶動氣囊轉動的電機轉速變化對拋光接觸區特征影響較小。

實驗表明，分析工藝參數對拋光接觸區的影響規律，為氣囊拋光過程中合理選擇參數提供了可靠的依據；同時將MRT引入到氣囊拋光系統中作為一種執行元件，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域的應用進行了積極的探索。

[1] 羅松保, 張建明. 非球面曲面光學零件超精密加工裝備與技術[J]. 光學精密工程, 2003, 11(1): 75-78.

[2] 謝晉. 光學非球面的超精密加工技術及非接觸檢測[J].華南理工大學學報(自然科學版), 2004, 32(2): 94-98.

[3] 袁哲俊. 精密和超精密加工技術的新進展[J]. 工具技術,2006, 40(3): 3-9.

[4] 崔治. 磁流變裝置研究及其在非球面研拋中的應用[D].吉林: 吉林大學, 2009.