經濟型拋光機械軌跡控制及柔性化系統研究

孫宏成

（沈陽理工大學機械工程學院，遼寧 沈陽 110159）

經濟型拋光機械軌跡控制及柔性化系統研究

孫宏成

（沈陽理工大學機械工程學院，遼寧 沈陽 110159）

拋光是機械加工中的常見工藝，也是一項十分重要的工藝，它最終決定了工件的表面質量，間接影響到工件的使用壽命。隨著技術進步，各種拋光方法層出不窮，但是機械拋光方法仍然是拋光工藝中主要采用的方法，這一點在機械制造行業尤為突出。本文通過對拋光軌跡規劃進行討論，從自由面與曲面兩個方面對拋光機械軌跡控制進行分析，討論其設計原理與方向，為相關專業提供一定的參考依據。

拋光；機械；軌跡控制；系統

1 拋光機械軌跡規劃概述

目前在大平面機械零件或鈑金產品的拋光工藝中，由于不存在粗拋、半精拋和精拋的過程，許多工廠普遍采用的辦法還是工人手持拋光工具對零件進行來回打磨拋光，這種拋光方式對工人的技術水平要求非常高，但是由于這類操作工人普遍工作時間長，任務大，在拋光過程中很難保證拋光力的恒定，也不能保持拋光軌跡的均勻性。

1.1 常見拋光軌跡

拋光工藝看似簡單，但真正還要達到滿意的效果還需要考慮很多因素。在對該工藝的自動化研究中，各國學者對進行了大量的研究，研究領域主要集中在計算機控制拋光系統、拋光軌跡規劃、表面粗糙度的工藝控制、拋光過程中的材料去除研究等方面，其中拋光軌跡研究又是這些研究中的熱點和重點。

平面研磨拋光軌跡是模具型面拋光軌跡的基礎，指的是加工過程中拋光工具與被拋光工件的相對運動軌跡。在現實生產當中，拋光軌跡主要指磨粒相對工件的運動軌跡和工件相對工具盤的運動軌跡，保證拋光軌跡的均勻性在拋光過程中非常重要，它保證了工件表面各點有相同的材料去除概率、拋光工具磨頭的均勻磨損和拋光質量。

在針對拋光軌跡研究中，模具數控加工現有的刀軌算法是不能直接套用的，目前在對于拋光機械軌跡方向的研究和實際生產應用中一般采用間接法產生刀具軌跡，即先在空間曲面的二維投影平面上產生平面軌跡；第二步再通過控制刀具中心點軌跡來產生空間軌跡，即通過把平面軌跡映射到曲面上實現空間軌跡規劃，目前研究人員普遍采用的做法是借鑒數控銑削加工過程中的軌跡規劃方式。綜合而言，數控銑削加工軌跡的基本軌跡分為行切軌跡和環切軌跡，在此基礎上則根據需要進行了改進和優化。

1.2 拋光軌跡與速度分布

在拋光工藝中，拋光工具通過拋光頭與被拋光工件接觸形成赫茲橢圓分布，由于采用的拋光頭材料和工具尺寸大小不一樣，這就使得拋光頭接觸的近似圓形區域內出現不同拋光效果和表面粗糙度。無論曲面拋光方式還是平面拋光方式，其基本的運動軌跡都是直線和曲線兩種走刀方式，通過對這兩種方式速度分布的研究和探討，有助于解決拋光工程中的參數設置問題。

1.3 拋光軌跡設計

拋光軌跡作為拋光工藝的走刀方式，在拋光過程中扮演者這要角色，針對不同的模具型面，研究學者和工程人員將經驗與工程實際想結合，開發出了多種加工軌跡，并且在不斷的研究和探索中引入計算機技術，成功開發出了多種軌跡生成方法。目前工程應用當中主要采用的軌跡生成方法主要預置軌跡方式、示教軌跡方式和計算機輔助生成模式這三種軌跡生成方式。

1.3.1 預置式軌跡模式

預置式軌跡模式即提前在控制裝置或者軟件中設置好軌跡模式，工人根據實際情況來調用不同的模式，這種模式因為其程式固定，設備控制和操作簡單，開發周期短而被大多數研磨拋光機床所采用，目前一部分拋光用多關節機器人采用的也是這種模式。這種軌跡方式的缺點在于目標軌跡是提前設計好的，不能對其進行二次開發或者軌跡優化，一般適用于生產大批量、固定型號的產品。

1.3.2 示教軌跡生成模式

除此之外有人采用的是示教方式設置拋光軌跡，即在拋光工藝進行以前通過操縱設備來測量一系列的點，通過將這些點數據存入到控制器的內存中，控制器通過計算來擬合拋光軌跡。目前國內一些大學就采用這種方式開發出了不銹鋼電水壺曲面拋光設備，他們先通過示教方法采集到電水壺的外形特曲線，再采用三次NURBS曲線擬合的方法對采集到的壞點進行剔除，得到目標零件較為精確的輪廓外形。通過這種方式獲得的軌跡不僅需要采集大量的點位信息，而且也必須提前設置大致的拋光路徑，對設備和技術要求都比較高。

1.3.3 計算機輔助生成模式

隨著計算機技術的不斷發展，它成為了機械制造自動化的關鍵技術，目前計算機輔助設計技術和計算機輔助制造技術已經廣泛應用于電子和機械制造等眾多機械設計和加工制造領域，其在數控領域的應用大大提高了生產效率和產品的精度與質量。由于CAD技術和CAM技術是一套集成技術，密不可分，因此我們通常將它們合起來稱為CAD/CAM技術。拋光工藝本身作為機械制造工藝的一個工序，將其與CAD/CAM結合起來是未來的必然趨勢，目前越來越多的研究人員和工程人員開始在拋光工藝中引入這種加工模式。在我國一些高校當中研究人員已經以直角坐標機器人為平臺，結CAD/CAM技術實現了點膠機器人的CAD建模與軌跡規劃。另外科技人員針對具有復雜形狀的模具型腔的拋光工序，通過UG軟件的CAM集成模塊中的多軸銑削加工功能，利用自主開發的軟件在復雜型腔表面規劃出了連續的多軸數控加工軌跡。這種軌跡生成模式目前正處于研究和探索中，采用這種方式可以明顯提高拋光效率和拋光工藝的自動化程度，但是目前尚缺乏一種通用的CAD/CAM集成系統，同時采用這種方式的成本和技術要求都是非常高的。

2 曲面拋光機械軌跡融化控制研究

2.1 曲面拋光工藝

在拋光工藝中的拋光力是一個影響拋光效果的重要因素，Preston方程成立的基礎就是恒定的拋光力。綜合各方研究結論來看，拋光力的大小決定了拋光量，拋光力的穩定性和均勻性則深入影響到拋光后表面的平滑程度、精度和質量等。在最初的拋光階段時研具與工件經調整后接觸較為良好，但是經過一定距離后由于研具自身磨損，造成了研具與工件的輕微脫離，以致部分表面的平滑度和光潔度都不是很理想。拋光作業是機械終端研具與外界工件相接觸，發生相互影響的過程，這個過程中由于曲面的曲率和型腔深度是實時變化的，拋光機械必須實時感知這種變化才能按照預定的軌跡運動。

2.2 曲面拋光柔性化控制

曲面拋光機械自動化系統實現的關鍵之一就是使機械具有柔性化，使拋光頭能按照曲面外形進行運動，即使垂直軸Z能根據型腔變化調整伸縮長度，水平軸能沿曲面外形進行運動。

針對各軸的控制，我們采用的是伺服電機直接驅動模式，在這種數字控制模式中，各軸的進給量是以脈沖形式控制的，即它們的最小移動單位是一個脈沖。通過相關研究我們可以看出在拋光過程中拋光工具的運動軌跡并不是一條光滑的曲線，而是一段一段的折線，通過折線來逼近曲線。專業化數控系統中常采用專用插補器進行刀具空間運動位置的插補，而針對PLC控制器，可以采用脈沖增量插補的方式來實現各軸空間位置插補，這是一種采用加法和移位就能簡單實現插補功能的方法。

除此之外，我們還要了解拋光機械曲面拋光柔化控制的力的控制，機械柔性化實現方式眾多，主要分為接觸和非接觸兩種方式。非接觸柔性化實現方式只要通過機械視覺處理來實現，即通過在機械末端添加攝像頭等設備，借助視覺處理軟件來指導機械完成各種動作。而接觸柔性化實現方式則是通過機械末端的各種接觸傳感設備，如力傳感器、光柵、編碼器等檢測元件來實現機械柔性化動作，在這種方式中，采用接觸力作為控制元件是最方便和直接的。

3 結語

綜上所述，機械拋光技術已經在我國發展和應用了多年，但還有很多理論和技術問題需要解決。針對不同廠家、不同規格的生產，應根據實際情況，對系統過程變量進行調整，使其優化與穩定，從而建立完善適合的拋光工藝。相信在不久的將來，機械拋光技術將會更加成熟與完善。

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1671-0711（2016）10（下）-0081-02