機器人拋光系統在陶瓷導軌加工中的應用

成賢鍇， 蔡黎明， 陳 琦,2， 于 涌

(1.中國科學院 蘇州生物醫學工程技術研究所，江蘇 蘇州 215163; 2中國科學院 長春光學精密機械與物理研究所，吉林 長春 130033)

0 引 言

機床導軌表面的耐磨性和抗擦傷能力是影響其精度和使用壽命的關鍵因素之一。導軌面的材質及其匹配對導軌運動副的摩擦學特性和機床(尤其在重載低速運行情況下)的動態穩定性影響甚大。在近代，隨著導軌耐磨性、精度要求的不斷提高，國外首先出現了陶瓷導軌。在納米級加工設備和醫療器械等需要非磁性環境的用途中，將陶瓷材料作為耐磨副可以獲得摩擦系數小、耐磨損、防爬行、定位準確、耐老化、耐酸堿的導軌摩擦副，因此陶瓷材料有望成為提高機床加工精度、延長導軌副使用壽命的良好選擇[1-4]。

正因為陶瓷材料的高硬度、高耐磨性和檢測手段的局限，想要加工出高精度的陶瓷導軌工藝復雜[5-9]。本文研發一套基于工業機器人的研磨拋光系統[10-13]，對具有微米級精度的陶瓷導軌進行拋光，提高其表面光潔度，通過平面干涉儀檢測其面型精度，根據檢測出的面型數據及特點，結合相關的拋光工藝，規劃出下一次拋光時運動軌跡并加工，重復上述過程直至陶瓷導軌面型達到設計的面型精度要求。

平面干涉儀可以達到納米級檢測，提供了超精密陶瓷導軌加工的檢測依據；而且平面干涉儀可以還原整個面型特征和高頻誤差，為陶瓷導軌面的面型分析和工藝研究提供數據。機器人拋光系統采用把規劃軌跡編制成加工程序文件，輸入加工設備實現加工[14-15]，保證了同一運動軌跡的一致性，加工結果便于工藝研究與分析。

1 系統組成

1.1 工業機器人

本文采用的工業機器人為德國KUKA的KR60HA中負荷高精度六軸機器人。機器人負荷60 kg，最大作用范圍2 033 mm，重復精確度優于±0.05 mm。

機器人本體實現陶瓷導軌加工過程中的平面研磨拋光運動，其研磨拋光軌跡是復雜的曲線。首先需要對運動軌跡進行規劃，然后通過離線編程方式把規劃好的運動軌跡轉換成機器人能夠運行的程序文件，把文件導入機器人的獨立控制系統KRC2，實現規劃軌跡的連續運動。

1.2 研磨拋光頭

拋光軸采用內裝式電機驅動主軸，電機轉子直接裝在拋光主軸上，電機的定子固定在電機座上，通過固定座安裝在工業機器人法蘭盤上。電機采用無刷直流力矩電機，可方便地進行主軸的無極變速，同時消除了電刷引起的摩擦振動。拋光頭基本結構如圖1所示，由主軸、力矩電機、彈簧、伸縮軸、彈性筒夾、研磨拋光盤等組成。

圖1 研磨拋光頭基本結構

該結構具有以下技術特點：主軸通過銷帶動伸縮軸轉動；伸縮軸通過銷與腰形槽的配合實現伸縮功能，避免拋光盤給工件帶來剛性沖擊，并通過彈簧實現拋光壓力的調整；拋光盤與拋光桿球頭接觸，實現拋光盤與工件的充分接觸；彈性筒夾用于夾持拋光工具，采用標準彈簧夾頭，方便拆卸安裝工作，為實際應用提供了便利；電機及輸出軸為主軸提供動力，采用分裝式電機有利于作動靜平衡，可以降低運動中的自激振動。

拋光頭電機選擇AEROTECH的S-130-81無刷直流力矩電機，驅動器選擇Copley的XTL-230-18，拋光頭的運動控制采用速度控制模式。拋光系統首先需要進行基本配置，輸入電機、驅動器和編碼器的相關參數，進行電流環和速度環的調試，直至調試結果滿足設計要求。最后對拋光系統進行監測，監測的電機參數有指令速度、實際電機速度和實際電流，監測的狀態有軟硬件是否使能、相位是否出錯等。

1.3 陶瓷導軌的加工過程

高精度陶瓷導軌的加工流程如圖2所示，先用天然或合成化合物經過成形和高溫燒結形成陶瓷毛坯件(陶瓷導軌)，然后對其4個面進行反復磨削和研磨加工，使陶瓷導軌面的面型達到微米級精度要求(采用光學樣板對導軌面型進行檢測)，再用機器人拋光系統對陶瓷導軌面進行拋光，使陶瓷導軌的表面光潔度提高，當其光潔度達到一定程度時(平面干涉儀能檢測出陶瓷導軌的面型數據)。通過平面干涉儀檢測其面型精度，根據檢測出的面型數據及特點，結合相關的拋光工藝，規劃出下一次拋光時運動軌跡，編制成機器人拋光系統可直接執行的程序文件，結合機器人拋光系統對陶瓷導軌進行下一次加工，重復上述過程直至陶瓷導軌面型達到設計的精度要求。

2 實驗結果

陶瓷導軌在經過研磨加工到達微米級精度之后，為了能夠檢測其面型精度，必須把導軌面拋亮，使用干涉儀對其進行面型檢測。實驗過程中機器人拋光系統首先對具有微米級精度的陶瓷導軌面進行拋亮處理，ZYGO干涉儀采集的原始檢測面型如圖3所示，陶瓷導軌尺寸為400 mm×200 mm。根據檢測得到的面型，對陶瓷導軌面進行了3 d的拋光，每天拋光完后重新進行一次檢測，實驗面型結果如圖4～6所示。

圖3 陶瓷導軌拋亮后的原始檢測面型

圖4 第1 d加工后檢測面型

圖5 第2 d加工后檢測面型

圖6 第3 d加工后檢測面型

3 d拋光的面型實驗數據如表1所示，PV值(峰谷值)由2.348 mm降低到1.844 mm，RMS(均方根)由0.625 mm降低到0.394 mm，面型精度較原先得到了改善。

表1 3 d拋光的加工結果 mm

3 結 語

本文設計的機器人拋光系統結合了工業機器人的加工優點、超精密的拋光工藝和平面干涉儀的檢測技術，實現了對高硬度和高耐磨性陶瓷導軌的高精度加工。由于陶瓷材料的去除特性相關的實驗數據還不夠，需要進一步實驗，繼續優化拋光壓力、運動軌跡、運動速度、加工時間、拋光盤口徑等參數對陶瓷材料去除量的影響，逐步建立專家系統，從而更好地指導陶瓷導軌的高精度加工。

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