細絲微細磨削設備的研制

黎　橋　朱援祥　周立武　周　兵

(①武漢大學動力與機械學院，湖北 武漢 430072；②中國三峽集團建設管理公司工程檢測中心，湖北 宜昌 443133)

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細絲微細磨削設備的研制

黎橋①朱援祥①周立武①周兵②

(①武漢大學動力與機械學院，湖北 武漢 430072；②中國三峽集團建設管理公司工程檢測中心，湖北 宜昌 443133)

針對現有細絲微加工設備成本高昂、實用性差以及加工后表面性能惡化的特點，研制了一套微細絲磨削設備。該設備包括磨削機械系統、視覺測量系統和加工智能控制系統。機械系統解決了細絲夾持、細絲兩端同步旋轉等問題，設計了一個V型槽和張緊機構解決細絲偏心旋轉；視覺測量系統對細絲尺寸進行無接觸、高精度測量；加工智能控制系統由上位機和下位機組成，二者通過USB數據線通信，實現了坐標軸多模式運動控制、零位傳感器的信號檢測以及其他控制量的控制。磨削過程由視覺測量系統與加工智能控制系統聯合工作，結合工藝數據庫實現智能化磨削。采用撓度補償方法，可在直徑小于1 mm的細絲上加工出階梯絲和錐度絲。

微細磨削;磨削設備;視覺測量;細絲加工

近年來微細加工技術作為獲得微零件的手段得到重要發展[1]。在諸如航天航空、電子通訊、醫療器械等領域中，微零件的需求越來越大[2]。在細絲微加工領域，目前存在的微細電火花加工、微細電化學加工、激光加工等技術都會不同程度地影響材料表面組織性能，且現有設備成本高昂，尚處于實驗階段，亟需一套可實際應用的細絲微細加工設備和加工方法。

微細磨削在獲得高精度尺寸與表面質量的微小零件方面比其他微細加工技術更具優勢[3]。目前對磨削技術的研究也比較多，有許多前人經驗和成果可以借鑒。在此基礎上，提出用磨削技術對細絲進行加工，設計用于細絲磨削加工的設備，并對當中的關鍵性問題進行研究。

1　整體架構

微細磨削設備可分為：加工智能控制系統、視覺測量系統、機械系統和人機交互程序。加工智能控制系統由上位機、下位機組成，上位機將控制命令傳給下位機，下位機實現具體的控制功能，對磨具與細絲的運動和其他控制量進行控制，實現多種磨削工藝。

圖像采集設備以及相應的圖像處理程序構成了視覺測量系統，對細絲直徑進行無接觸式測量，為磨削工藝的智能化制定提供基礎。人機交互程序為操作者提供一個易操作的圖形操作界面和一種操作設備的直觀方法。

此外，經過大量實驗建立了一個磨削工藝數據庫，為智能化磨削提供數據支撐。

2　機械系統的設計

2.1磨削機械系統

圖1為磨削設備的實物圖，圖中標明了零部件名稱。磨削機械系統包括工作臺、數控工作臺、V型槽、張緊機構、夾持機構、傳動裝置等部分組成。

工作臺固定在大理石基座上，臺面正中間安裝了一個升降臺，升降臺上裝有V型槽，臺面兩端分別安裝了一個固定基座、活動基座；工作臺下方安裝一根傳動軸；活動基座可以沿著工作臺上的導桿滑動，而固定基座固定在工作臺上，通過彈簧拉動活動基座可以將細絲張緊，從而有利于保持磨削過程中細絲轉動的穩定性。固定于工作臺正中間的V型槽基座用于支撐細絲。

2.2細絲夾持裝置

細絲夾持軸內部開有一個矩形截面的軸向通孔，通孔底面經過夾持軸的幾何軸線，并在該面上加工了一個與幾何軸線重合的淺槽，用以放置細絲，夾持軸徑向加工了一個與內孔相通的螺孔。細絲放入槽中后，用鋼塊壓住，再在徑向螺孔中上一個螺栓，擰緊螺栓可使鋼塊將細絲壓在槽內，從而將細絲夾緊。

2.3同步旋轉裝置

細絲旋轉的動力來自與主軸(位于工作臺下方)相連的步進電動機，電動機通過聯軸器帶動傳動主軸，通過同步輪和同步帶，主軸將動力傳遞給細絲夾持軸，使細絲與主軸保持同步轉動，從而保證細絲兩端的同步旋轉。

2.4細絲張緊裝置

活動基座可以沿導桿滑動，其上安裝了一個小零件用于鉤住張緊彈簧，彈簧另一端鉤在螺栓上，擰動此螺栓可調節彈簧長度，進而調節細絲張緊力。將彈簧拉力調節在合適范圍內，磨削后，細絲表面形成壓應力層[5]。

2.5防偏心旋轉裝置

細絲防偏心機構由V型槽和升降臺組成，V型槽的結構如圖2a所示，調整V型槽下方的升降臺從而將細絲頂起，使細絲被支撐部分略高，當細絲被拉緊時可壓在V型槽底部，與V型槽兩邊緊貼，避免細絲偏心旋轉。

2.6三軸數控工作臺

磨具由1個三軸數控工作臺帶動，實現3個方向的運動。此工作臺由下位機控制，定義細絲軸線為X方向，磨具軸線為Y方向，垂直工作臺面為Z方向。

2.7細絲磨削裝置

數控工作臺、帶動磨具轉動的直流電動機以及帶動細絲轉動的步進電動機均由下位機控制，此五軸系統提供細絲磨削所需的動力。

如圖2b所示，磨具首先從Z方向靠近細絲，直到與之接觸，然后繼續移動一個給定的撓度f，細絲支撐段在磨具的頂壓下彎曲變形，然后下位機控制磨具和細絲旋轉，同時磨具沿Y方向來回擺動，對細絲進行磨削。根據工藝的不同，磨具可沿X方向移動，并在移動過程實施撓度補償。經過設定的時間后磨削結束，磨具和細絲停止運動，之后磨具回到原始位置，磨削過程由加工控制系統控制。

3　加工智能控制系統

加工智能控制系統主要控制三坐標數控工作臺、電動機以及其他傳感器，由上位機、下位機聯合工作實現。上位機發送運動請求并給定參數，下位機輸出控制信號。二者之間以數據幀為單位進行通訊，為保證較高的速度，每個數據幀固定為4個字節，且每個字節的意義是固定的。采用USB線作為數據線，CH340T作為內部電平轉換芯片。

加工智能控制系統需要控制5個軸，即：X、Y、Z、R1(細絲轉動)、R2(磨具轉動)。為實現細絲的多種磨削工藝，加工智能控制系統實現了如下功能：

(1)磨具的定位必須準確，因此在適當位置安裝了光電傳感器，作為零位標識，由下位機檢測坐標軸零位，每次初始化時自動將坐標軸調整至零點。

(2)磨削過程需要多坐標軸聯動，以實現細絲階梯絲和錐度絲等磨削工藝。

(3)磨削過程細絲連續轉動，但視覺測量時需要讓細絲轉動給定的角度，為此實現了單坐標軸的連續運動模式和步進運動模式。

(4)磨削過程中磨具得沿著y軸來回運動，以避免磨具表面磨損不均勻，為此實現了坐標軸的擺動模式。

(5)為避免誤操作造成三軸數控工作臺觸碰到周圍零件，須任何時刻都可停止坐標軸運動，因此下位機須要實現坐標軸急停功能。

(6)下位機必須記錄X、Y、Z、R1的位置，以便上位機查詢。

為實現上述功能，下位機必須為X、Y、Z、R1坐標軸建立一個數據塊，以保存每個坐標軸的狀態。數據塊包括：工作模式、運動方向、速度、位移、位置等。工作模式包括步進運動模式、連續運動模式、擺動模式和停止模式。工作在步進運動模式的坐標軸，將會沿給定方向，以給定速度移動給定的位移，移動完成后更新坐標軸位置；工作在連續運動模式的坐標軸，將會沿給定方向一直運動，并隨時更新坐標位置；工作在擺動模式的坐標軸，將會沿正方向運動給定位移后，折返到原來位置，之后再反向，擺動過程中隨時更新坐標軸位置；坐標軸不運動時標記為停止模式。

下位機采用基頻計時器的方式實現多軸聯動。所謂基頻計時器是指下位機內部以一定頻率(稱為基頻)運行著一個計時器，每次發生計時器中斷時，下位機根據每個坐標軸的運動速率和工作模式決定是否產生脈沖以驅動步進電動機運動一步。每個坐標軸將自己的速度設置為1/2、1/4或1/8倍基頻，相應地，計時器分別隔2、4、8個計時中斷產生1個驅動脈沖，以此實現坐標軸速度控制；如果條件符合，下位機可一次為多個坐標軸發射驅動脈沖，實現多軸聯動。

如圖3所示，上位機將運動命令發送給下位機，下位機接收到命令后，立即對其應答，上位機未接到應答幀時會重復發送命令，直到收到應答。命令數據幀中指定了坐標軸、速度、運動模式、方向和位移，下位機從命令數據幀中解析出運動參數后啟動計時器，每次發生計時中斷時，下位機根據運動參數發出控制信號以移動具體的坐標軸。運動完成后，返回一個數據幀告知上位機。

4　視覺測量與智能磨削

為提高磨削設備的智能程度，決定采用視覺測量作為測量手段。視覺測量有著精度高、無接觸式的優點[6-8]。當選用500萬像素的相機在45倍光學顯微鏡下，每個像素代表的實際尺寸可達到1.5 μm。視覺測量的關鍵是圖像邊緣檢測，為提高圖像邊緣檢測的精度，本設備為相機配置了背光光源。在背光光源下，細絲邊緣十分清晰，容易檢測出連續的單邊邊緣，提高了邊緣定位精度，從而提高了尺寸測量的精度和準確度。

圖4為被磨削后的細絲弧線處邊緣檢測圖，由圖可知細絲弧線處的邊緣仍然連續且為單邊邊緣，圖中細絲最細處直徑為131個像素，而細絲原始直徑為240個像素，實際尺寸為0.36 mm，因此最細處實際直徑為0.197 mm。細絲邊緣檢測誤差不超過5個像素，故而視覺測量的尺寸誤差不超過7.5 μm。

對不同直徑的細絲加工，撓度和磨削時間不同。此外精磨和粗磨工藝在撓度、時間以及磨具運動速度上均有差異。而工藝參數定制的基礎就是當前細絲的尺寸信息，因此視覺測量是智能化磨削的基石。

圖5為智能磨削流程圖。當操作人員安裝好細絲后，輸入加工參數并選擇磨削方式，視覺測量系統自動測算細絲尺寸信息，并根據尺寸信息查詢工藝數據庫，得到工藝參數。然后上位機向下位機發送運動命令，實施粗磨。同時上位機開始啟動計時器，經過指定時間后，上位機發送命令停止磨削，視覺測量系統重新測定磨削后細絲的尺寸，檢查是否符合預定要求，若不合要求則查詢工藝數據庫，確定精磨工藝參數實施精磨，若符合要求則終止磨削過程。磨削過程由視覺測量系統與運動控制系統聯合工作，結合工藝數據庫實現智能化磨削。

此外，通過人機交互界面，操作者可以控制整臺設備。運動控制界面提供了對坐標軸以及其他部件的控制功能，方便開發者調試以及操作者進行設備初始化。除了提供智能化磨削之外，操作界面中還提供工藝參數設置界面，用于手動設置工藝參數，以便進行工藝研究實驗。通過大量實驗，初步建立了直徑0.30～0.60 mm的304不銹鋼細絲、直徑0.28 ～0.54 mm的NiTi 細絲磨削工藝數據庫，以及用于像素坐標與世界坐標轉換的模型。圖像處理界面自動測量細絲尺寸，并實時顯示鼠標處的像素單位直徑。

5　微細磨削實驗

為研究在給定撓度下，細絲直徑隨磨削時間變化的規律，進行了定點磨削實驗，磨削過程磨具只沿自身軸線(即Y軸)來回運動，X方向不運動。實驗進行了3組，撓度分別為50 μm、100 μm、150 μm，細絲材料為NiTi，原始直徑0.36 mm，細絲轉速60 r/min，磨具轉速7 000 r/min，磨具擺動速度2.5 mm/s，采用最細處直徑表征細絲磨削后的直徑，實驗結果如圖6所示。由圖可知，磨削過程前20 s細絲直徑隨時間基本呈線性變化，隨著磨削的進行，細絲直徑的減小越趨緩慢；撓度越大，材料去除率越大，細絲直徑減小越快，這是由于撓度越大，細絲與磨具之間的壓力越大，微區參加磨削的磨粒數增加，故而直徑減小率越高。

與定點磨削不同，移動磨削中磨具須沿X軸移動，但撓度相同而X軸位置不同時，磨具與細絲之間的壓力不同，從而材料去除率不一樣。撓度相同時，位于支撐中部的壓力最小[9]。為獲得均勻的直徑，需要在不同位置進行撓度補償，即適當增大細絲支撐中部撓度或減小兩端撓度。如圖7所示，采用不同的補償方案，可以加工出階梯絲和錐度絲，且錐度可控。

6　結語

(1)設計了一套細絲微細磨削設備，該設備由機械系統、加工智能控制系統、視覺測量系統等組成。

(2)機械系統解決了磨削過程的幾個問題：細絲夾持、細絲兩端同步旋轉、細絲張緊、細絲無偏心旋轉。

(3)加工智能控制系統實現了坐標軸的多模式運動控制，以實施多種工藝的細絲磨削。

(4)視覺測量系統自動、高精度測量細絲尺寸，與加工智能控制系統聯合工作，結合工藝數據庫實現智能化磨削。

(5)對定點磨削和移動磨削進行了研究。定點磨削實驗表明，磨削過程前20 s細絲直徑隨時間呈線性減小，直徑變化率隨著撓度增加而增加；移動磨削實驗表明，為獲得均勻直徑的細絲，磨削過程需要進行撓度補償，調整補償方案，可加工出階梯絲和錐度絲。

[1]李建勛，胡曉兵，楊洋.微細加工技術的發展及應用[J]. 現代機械，2007(4)76-78.

[2]賈寶賢，胡富強，王振龍，等. 線電極電火花磨削技術在微細加工中的應用[J].電加工與模具，2006(s1)：22-25.

[3] Saeed Zare Chavoshi, Xichun Luo.Hybrid micro-machining processes: A review[J]. Precision Engineering, 2015，41:1-23.

[4] 趙恒華，宋濤，蔡光起. 磨削加工技術的發展趨勢[J].制造技術與機床，2012(1)：55-58.

[5] 彭銳濤，伍佳易，唐新姿，等. 預應力切削鈦合金的有限元分析[J]. 機械科學與技術，2013(7)：950-954.

[6] 葉聲華，王仲，曲興華. 精密測試技術展望[J]. 中國機械工程，2000，11(3)：262-263.

[7] 殷純永. 儀器科學與技術發展建議[J]. 中國機械工程，2000，11(3)：264-266.

[8] 朱錚濤，黎紹發. 視覺測量技術及其在現代制造業中的應用[J]. 現代制造工程，2004(4)：59-61.

[9] 劉鴻文. 簡明材料力學[M]. 北京：高等教育出版社，2008.

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Development of a micro-grinding device for fine wire

LI Qiao①，ZHU Yuanxiang①，ZHOU Liwu①,ZHOU Bing②

(①School of Power and Mechanical Engineering, Wuhan University, Wuhan 430072, CHN；②Yangtze Three Gorges Technology & Economy Development CO.,Ltd.,443133)

In consideration of the high cost, low practicability and deteriorated surface performance of current machining devices for fine wire, an improved micro grinding device (MGD) was developed in this work. The MGD consisted of mechanical system, visual measurement system and machining control system. The function of wire clamping and synchronous rotating was realized in the mechanical system. A V-typed groove and assisted tightener was designed to alleviate eccentric rotation of the wire. The visual measurement system took the responsibility for the non-contact and high accuracy size measurement. The machining control system, consisting of host computer and slave computer which communicated with each other via USB interface, realized the controlling function of the multi-mode moving of axis, the signal detecting function of null pick-up and some other controlling functions. On the basis of process parameters database, the measure system and machining control system worked together to grind smartly. Taking deflection compensation, both stepped and cone wire whose diameter less than 1mm could be machined.

micro-grinding; grinding device; visual measurement; wire machining

TP391

A

10.19287/j.cnki.1005-2402.2016.08.024

黎橋，男，1992年生，在讀研究生，研究方向為材料加工工程。

(編輯高楊)(2016-01-03)

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