磁流變拋光機床防碰撞控制策略與方法*

黃　明，陳　華，鄭永成

(中國工程物理研究院 機械制造工藝研究所，四川 綿陽　621900)

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磁流變拋光機床防碰撞控制策略與方法*

黃明，陳華，鄭永成

(中國工程物理研究院 機械制造工藝研究所，四川 綿陽621900)

研究磁流變拋光機床防碰撞控制策略與方法，是確保磁流變確定性拋光質量與效率、實現拋光工藝過程高安全可靠性的重要途徑。針對磁流變拋光機床結構與磁流變拋光工藝的特殊性，系統研究了碰撞的原因及對策，提出了基準可靠傳遞與校核、軟硬結合防護、分級授權和全流程自動控制相結合的系統防碰撞控制策略，提出并設計了基于激光測距的法向輪廓在位測量單元真實預驗證拋光效果，設計了坐標基準自動校核模塊、自動對刀測量單元及機床異常狀態安全回退模塊等碰撞預防、預知及主動應急處理安全功能，實驗驗證了文章提出的防碰撞控制技術的有效性，實現磁流變拋光自動化、具備適度智能化。該技術在中國工程物理研究院研制的系列磁流變拋光機床上得以驗證與工程應用。

防碰撞；磁流變拋光；對刀測量；輪廓在位測量

0　引言

磁流變拋光技術作為一種超精密確定性拋光技術，能快速獲得數十納米以下的高精度面形和1納米以下的表面質量且近無亞表面缺陷、具有其它確定性拋光技術(如數控拋光)無法比擬的高精度、超光滑和高效率加工工藝優勢，可加工對面形精度和粗糙度要求極高的各類平面、非球面等光學元件，滿足激光聚變、航天航空、太空探測等領域對大量高性能光學元件的需求[1-2]。國內外針對磁流變拋光從裝備構型、磁流變液及拋光工藝等方面，對磁流變拋光質量和效率進行了深入研究，但在磁流變拋光機床的工程可靠性應用方面研究較少，目前僅美國QED公司擁有工程化、商品化的磁流變拋光機床。開展磁流變拋光機床的工程可靠性應用研究，實現我國自主研制的磁流變拋光機床從原理樣機走向工程應用，并實現商品化。

作為磁流變拋光機床工程可靠性應用的眾多研究內容之一，防碰撞控制的意義尤為重大。磁流變拋光機床作為精密光學元件的末端工序，由于光學元件的毛坯成本高、光學元件涉及多工序的加工周期較長、并且設備昂貴，如果發生碰撞，可能導致工件損壞、機床拋光頭損壞，甚至導致磁流變拋光機床精度損失，直接影響精密光學元件質量和生產進度，導致昂貴的經濟成本損失。因此，磁流變拋光機床防碰撞控制，是實現磁流變拋光工藝裝備工程可靠應用的保障，以確保機床的安全與精度保持、光學元件的加工質量，提高磁流變拋光效率并節約加工成本，實現磁流變拋光機床高可靠性與高智能化的重要功能。

目前，國內外針對磁流變拋光防碰撞控制全面系統的研究較少見諸報道，美國QED公司在其Q22-750P2磁流變拋光機床上集成了4路網絡攝像頭，對拋光工藝過程遠程在線監測，但未針對異常情況下的碰撞進行自動預防與處理。當前國內外對于一般數控機床的防碰撞控制技術開展了諸多研究[3-9]，主要包括離線幾何模擬仿真以防止干涉碰撞、基于激光相位測距和機器視覺等實時監控開發防碰撞控制算法、以及基于數控系統嵌入防碰撞功能技術等。

離線幾何模擬仿真的方法，無法針對現場工裝不同的安裝狀態、機床運動的動態過程進行防碰撞檢測，無法真實反映機床的動態特性。而傳統基于視覺或其它傳感技術的在線防碰撞控制單元，要么系統復雜、通用性差，難以適應復雜多變的工業現場應用，要么技術成熟度有待進一步提高。嵌入并集成防碰撞功能的數控系統，數控系統本身的不開放性，限制了基于這些系統研發機床功能的靈活性，難以解決磁流變拋光機床拋光工藝過程工程可靠性的特殊問題。

磁流變拋光機床相對于傳統切削機床，具有較大的差異性，表現在：拋光頭與工件法向小間距非接觸拋光、基于駐留時間拋光去除、拋光過程近無切削力且動態特性變化大，拋光操作要求相對復雜。因此，傳統機床的防碰撞控制方法難以直接應用于本類工藝裝備。

本文結合磁流變拋光機床加工工藝特點，全面分析了發生碰撞的潛在因素，提出了磁流變拋光控制的防碰撞控制策略與方法，建立了坐標基準的自動校核、傳遞與轉換方法，模塊化設計了坐標基準校核、異常狀態時的主動安全回退、自動對刀測量和工件法向輪廓在位測量等防碰撞單元，并有機集成于控制系統，實現磁流變拋光全流程的防碰撞控制，解決了磁流變拋光碰撞問題帶來的安全隱患和損失，提高了磁流變拋光機床的自動化和工程應用水平。

1　磁流變拋光機床防碰撞概述

磁流變拋光如圖1所示，拋光時，拋光頭與工件非直接接觸(間距δ在0.5～1.0mm間)、依靠拋光頭上的磁流變液緞帶進行法向等間距的確定性柔性拋光。

圖1　磁流變拋光示意圖

1.1碰撞原因分析

磁流變拋光機床的拋光頭與工件的法向間距小，碰撞主要發生于機床Z向運動時拋光頭與工件、工裝碰撞，其產生的危害性包括影響工件精度甚至破壞工件、損壞測量探頭、破壞拋光頭等。

(1)操作復雜性

磁流變拋光機床為確定性微量拋光元件的特種工藝裝備，其工藝操作流程較通用切削機床，相對復雜且存在較大的差異，如無法采用試切削建立工件坐標系，而要求采用自動對刀測量程序建立工件坐標系；加工前要求對緞帶標定并設置正確的緞帶浸入深度參數等。若操作者未執行正確的工藝操作流程、未設置正確的緞帶浸入深度、數控程序編制不正確、工件零點偏移設置錯誤等，均可能導致加工時拋光頭與工件干涉從而發生碰撞。

因此，從滿足工程應用的實用性角度而言，磁流變拋光機床的自動化及防誤操作人機友好設計等，將提高機床的安全可靠性。

(2)工藝特殊性

磁流變拋光機床微量拋光工件，拋光頭與工件為非接觸的法向等間距拋光。因此，工裝與工件的安裝方法和調平方法，直接影響加工效果，若安裝不正確，可能導致拋光頭與工件、工裝干涉而碰撞。

此外，磁流變拋光機床基于駐留時間拋光工件，即使拋光過程中拋光頭與工件非接觸，若因機床故障導致拋光頭上的緞帶長時間駐留于某一位置拋光工件，將導致工件被過拋，影響甚至破壞工件面形精度。

因此，拋光工件前，對拋光程序進行在位校核，綜合驗證工件的安裝精度、機床動態運動性能與加工程序的正確性，從而確保磁流變拋光的安全性與可靠性。

(3)其它

系統的硬、軟件故障或者參數未正確配置，可能導致保護區未生效，控制系統安全防護功能失效。此外，光柵污染、電氣干擾等亦可能導致控制系統故障。因此，磁流變拋光機床運行過程中，在線實時監控機床狀態，并在異常狀態下及時響應安全回退，實現對工件、拋光頭以及機床本身的安全保護。

1.2防碰撞技術途徑

綜上所述磁流變拋光機床碰撞的原因分析，針對磁流變拋光的特殊性，結合通用切削機床防碰撞控制技術，實現磁流變拋光機床安全可靠運行、避免碰撞發生，本文的主要技術途徑包括以下幾方面：

(1)校核機床坐標基準與自動建立工件坐標系

磁流變拋光數控程序基于工件坐標系編制，坐標基準可靠是其安全可靠加工的前提和根本保證。本文設計了機床坐標自動校核單元，建立了機床坐標基準、測量基準和工件坐標基準的傳遞與轉換方法，實現工件坐標系的自動建立，確保加工坐標系的安全和可靠。

(2)加工前加工程序的在位綜合校核與驗證

基于激光非接觸測量方法，設計了法向輪廓在位測量單元，對工件的安裝精度、運動程序的正確性、磁流變拋光過程是否干涉、拋光去除的有效性等進行綜合校核與驗證，防止干涉碰撞、過拋，校核機床實際運動輪廓精度，提高拋光精度與效率。

(3)異常狀態下實現安全回退

設計了異常狀態下高速中斷NC程序、快速安全回退Z軸，以防止碰撞。即：實時監控誘發機床碰撞的關鍵信號，通過傳感技術與控制算法，預判碰撞發生的可能性，并對碰撞進行應急處理。如對工件測量探頭工作位進行實時監控，測頭在非正常工作位時，機床自動回退Z軸，防止測量探頭與工件碰撞；加工過程中實時檢測NC關鍵信號和外部傳感信號，駐留拋光異常情況下進行程序斷點保護并自動回退Z軸，防止工件被過拋；異常情況下碰撞瞬間進行加工程序的快速中斷并安全回退，減小損失。

2　防碰撞控制系統設計

2.1磁流變拋光防碰撞控制策略

圖2　磁流變拋光機床防碰撞控制策略

如前述磁流變拋光碰撞的原因及防碰撞技術途徑，磁流變拋光防碰撞控制策略以基準可靠傳遞與校核為核心，采用硬軟件結合防護、分級授權、全流程控制的技術路線，實現磁流變拋光機床防碰撞控制，如圖2，其詳細說明如下。

(1)基準傳遞與校核

對于磁流變拋光機床，NC代碼以工件坐標系為基準進行編制。由于不能像傳統切削機床采用試切建立工件坐標系，本文設計了自動對刀測量單元，通過對刀單元實現工件基準與機床基準的自動轉換，最終確定工件坐標系中工件零點在機床坐標系中的相對位置偏置。因此，磁流變拋光機床的基準包括機床基準、測量基準和工件基準，如圖3所示。為確?；鶞士煽?，需對機床基準、測量基準和工件基準進行校核。

圖3　基準傳遞與校核圖

圖4　基準坐標轉換示意圖

機床基準基于機床各軸的光柵尺或編碼器建立。對于增量式光柵尺或編碼器，需開機強制回零，以建立機床基準坐標；對于絕對式光柵尺，通常不需要開機回零操作，但開機時對機床坐標位置與關機時刻值進行比較和校核，能解決開機時刻光柵編碼信號異常引起機床軸的運動異常問題，有利于提高機床控制系統的安全可靠性。

磁流變拋光元件和拋光工藝特點，決定了磁流變拋光機床必須采用自動對刀測量建立工件坐標系。如圖4，拋光工作點與測頭測量點未重合，存在偏置矢量NM。因此，工件的加工零點偏置[X0Y0Z0]T：[X0Y0Z0]T=[XNYNZN]T+[XNMYNMZNM]T

其中，[XNYNZN]T為測量零點偏置，即測頭測量點N與工件零點O重合時機床坐標測量值；為簡化系統結構復雜性，結構裝調時確保測頭氣缸與安裝拋光輪的Z軸平行。

[XNMYNMZNM]T為拋光工作點到測頭測量點的偏置矢量NM在各幾何軸的分量；

為保證加工運動程序正確，確保工件加工零點偏置[X0Y0Z0]T正確，須校核驗證測頭測量數據[XNYNZN]T正確和可靠，并確保拋光工作點到測頭測量點的幾何關系[XNMYNMZNM]T正確和可靠。

(2)硬軟件結合防護

針對磁流變拋光機床，除了設計機械硬限位保護區、電氣硬限位開關保護區、(第一)軟限位保護區及安全工作保護區等多級保護區進行安全防范外，對誘發機床碰撞的潛在環節配置傳感器，包括各軸行程限位開關、測頭工作位置開關、自動對刀單元、法向輪廓在位測量單元等，為軟件處理及防碰撞控制策略提供必要的信號輸入。

如圖2所示，通過硬軟件結合，包括機床基準和測量基準的校核、自動設置安全工作區保護、對刀自動建立工件坐標系、法向輪廓在位測量單元實現加工程序的在位校核、加工過程實時監控拋光輪工作電流等關鍵信號并設計異常處理機制，如斷點保護與Z軸安全抬升等，實現對機床碰撞進行預防、預知及故障情況下的主動應急處理。

(3)分級授權

按照通用機床分級授權的設計方法，對磁流變拋光機床的制造商、機床服務商、機床用戶等設置不同的操作權限，防止機床數據被意外串改。同時，結合下位軟件，對固化的關鍵安全參數進行校核。

(4)全流程控制

如圖2所示，磁流變拋光機床的防碰撞控制采用全流程控制：機床開機時的校核與安全設置、加工工件前的安全校核與處理、加工過程實施監控及故障發生時的應急安全處理。

1)開機校核與安全設置

磁流變拋光機床開機后，下位軟件對機床限位保護等關鍵I/O信號測量并確認；再對系統關鍵安全參數進行校核，尤其是對軟限位參數校核，確認系統安全數據未被意外串改；然后對機床坐標系進行校核：若為增量式編碼器，則進行自動回零操作；對絕對式編碼器，則對開機前后(機床未移動情況下)各軸坐標進行對比；在機床坐標系驗證通過后，選擇并運行對刀單元自動校核程序，驗證并確認對刀單元功能正常(包括結構參數未發生變化)，同時設置安全工作區間。

通過開機校核與安全設置的系列自動處理，可以驗證機床基準正確、建立機床運動安全區域保護，避免人為誤操作，尤其是避免Z向方向錯誤移動導致拋光頭與工裝或工件碰撞。

2)加工前的安全校核與處理

在工件安裝或者工件重新安裝后，系統要求重新自動對刀以建立工件坐標系，同時設置安全工作區間，避免人手工對刀的復雜性及偶然誤操作導致工件坐標系的錯誤性。

無論磁流變拋光平面件、球面件或非球面件，拋光頭與被加工件始終為等法向間距進行加工。運行拋光程序前，通過法向輪廓在位測量單元，對拋光程序進行在位校核，實現兩大目的：

①干涉碰撞檢測，可以同時對工件安裝效果和NC加工程序進行真實校核；

②輪廓精度檢測，實現工件全面形法向誤差的動態測量。

本文設計了自動對刀測量單元和法向輪廓在位測量單元，實現加工前的安全校核與處理。一方面，實現自動對刀、自動建立工件坐標系，避免對操作者的技能要求，同時避免人為誤操作；另一方面，實現加工程序的在位校核，避免加工碰撞、同時校核安裝精度及NC程序的正確性，確保加工精度。

3)加工過程實時測控及故障應急處理

在拋光過程中，控制系統對反映可能碰撞的狀態信號進行重點監控和處理：包括對刀單元的測頭位置、拋光輪的工作電流和NC運行狀態，機床異常立即斷點保護并自動抬升Z軸，避免碰撞和過拋。

磁流變拋光近無切削力，在拋光過程中拋光頭的驅動電流幾乎為恒定值，當碰撞即將發生時，拋光頭的驅動電流會突變增大，通過高速口實時監測該信號發生突變增大時，立即自動抬升Z軸，避免拋光頭與工件碰撞或碰撞發生時減小損失。

2.2防碰撞關鍵單元模塊設計

機械結構和電氣系統是實現機床幾何精度和位置精度、滿足機床運動精度和運動可靠性的前提。如前所述磁流變拋光機床防碰撞控制策略，重點針對磁流變拋光工藝的特殊性，設計自動對刀測量單元、法向輪廓在位測量單元等，對機床精度和運動可靠性校核，實現防碰撞控制高安全性和高可靠性。

(1)自動對刀測量單元

自動對刀測量單元實現校核坐標基準、建立機床安全工作區域和自動建立工件坐標系等。針對磁流變拋光工藝的復雜性、對刀測量的精度、難易程度及可靠性，采用機械接觸式測量方法實現對刀測量，其原理與示意圖如圖5所示。測頭觸碰工件時產生一個觸發信號，該信號經過信號轉換器采樣、整形、濾波后，轉換為控制器可識別處理的信號，該信號上升沿觸發控制器進行中斷處理，包括記錄當前坐標值、調用運動子程序、設置G54工件零點偏置以自動建立工件坐標系、進行緞帶標定、設置并生效安全工作區域以防止拋光頭與工件發生碰撞等。

圖5　對刀測量原理與結構示意圖

圖5中，自動對刀測量單元主要由氣缸、(MCP)測頭及信號轉換器組成。對刀測量時，氣缸運行至下限位，測頭觸碰工件產生的觸發信號，通過信號轉換器整形、濾波，進入控制器的高速I/O口并對該信號進行識別及處理。非對刀測量時，氣缸運行至上限位，避免測頭與工件發生碰撞。圖中NM為拋光頭工作點到測頭測量點的偏置矢量。

(2)法向輪廓在位測量單元

基于磁流變拋光過程為等法向小間距柔性拋光，本文提出并設計的法向輪廓在位測量單元，如圖6。其中，激光測頭選用米銥激光位移傳感器ILD2200-40。如圖6所示為非球面件的面形、采用光柵線、等法向間距測量的示意圖：激光測頭的測點等效為緞帶拋光點，它與被拋光位置的法向間距保持為恒定值δ，通過連續掃描工件全面形的δ值，對工裝和工件的安裝效果、拋光NC程序的正確性、機床加工過程的動態特性等實現在位驗證，防止干涉碰撞和過拋等，并動態測量法向輪廓精度以作為拋光質量的預判依據。

圖6　法向輪廓測量示意圖

3　實驗與結果

3.1自動對刀測量的功能和性能驗證

采用前述自動對刀測量單元，文章“基于西門子840D測頭對刀技術研究”[11]、“基于華中數控系統HNC-818BM的測頭對刀技術研究”[12]，分別基于西門子840D數控系統和華中8型數控系統，對自動對刀測量的功能和性能進行了實驗驗證。實驗結果表明：自動對刀測量重復定位精度優于2μm。該對刀測量方案已在中國工程物理研究院研制的PKC600-Q1(單磨頭大口徑非球面磁流變拋光機床)、PKC1000-Q2(雙拋光頭非球面磁流變拋光機床)、PKC1000-P2(雙磨頭大口徑平面磁流變拋光機床)等磁流變拋光機床得到應用。

3.2工件法向輪廓在位測量

采用前述法向輪廓在位測量單元，在PKC600-Q1磁流變機床上對200mm×200mm的鍥形非球面元件的加工程序進行了測試，圖7a為實驗測量示意圖；圖7b為初始測量結果(法向輪廓誤差大于180μm)；圖7c為根據法向輪廓在位測量結果，優化機床五軸聯動伺服參數、對工件調姿找正后的全面形法向輪廓誤差小于15μm(圖中突變點為光柵線換向位置，換向導致機床伺服軸的跟隨誤差過大而引起該位置法向輪廓誤差較大，但該位置為非加工區，因此不影響拋光質量)。

圖7　200mm×200mm非球面元件法向輪廓在位測量

基于該法向輪廓測量單元的測量結果，實現優化機床伺服參數和補償五軸聯動輪廓誤差、調整工件安裝精度等功能，校核了實際加工程序的正確性，防止干涉、確保拋光去除的有效性，200mm×200mm非球面元件面形精度PV值由λ/3提升至λ/10。

4　結論

(1)文章提出的自動對刀測量與工件法向輪廓在位測量單元，提高了磁流變拋光工藝的自動化水平，實現了拋光基準的傳遞可靠與自動校核，實現了預先對工件拋光效果的在位驗證，確保了拋光質量和拋光過程的安全可靠；

(2)提出的基于基準校核為核心，以軟硬件耦合防碰撞預防、加工程序在位綜合校核和機床實時監控進行碰撞預知、磁流變拋光工藝過程自動化簡化磁流變拋光機床的操作與要求、機床異常狀態下安全回退的磁流變拋光全工藝流程防碰撞控制策略與方法，其有效性得到了實驗驗證，并在國家某大型光學工程對光學元件超精密磁流變拋光的工程應用中得到長期檢驗。

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(編輯李秀敏)

TheDesignandImplementationofAnti-collisionSystemforMRFMachineTools

HUANGMing,CHENHua,ZHENGYong-cheng

(InstituteofMechanicalManufacturingTechnology,ChinaAcademeofEngineeringPhysics,MianyangSichuan621900,China)

Theanti-collisioncontroltechnologyforMagnetorheological(MRF)polishingmachineistoensurethefinequalityandhighefficiencyofthedeterministicmagnetorheologicalpolishing,torealizeMRF’sintelligencewithhighsecurityandreliability.ThereasonfortheMRF’scollisionwasanalyzedsystematicallyaccordingtoMRFpolishingmachinestructureandthespecialnatureoftheMRFpolishingprocess.ThecontrolstrategiesandmethodsforMRF’santi-collisionwereputforwardbasedoncoordinatedatum’stransformationandverification,couplingsoftwareandhardware’sprotection,hierarchicalauthorizationandautomaticcontrolinthewholeMRF’spolishingprocess.Thepaperproposedanovelmethodbasedonlaserrangingmeasurementfornormalcontourin-sittopreverificatepolishing’seffect.Themoduleofthebenchmark’sautomaticrecheckwasdesignedtoensurethecoordinatedatum’scorrectionforMRF’spolishing.Theunitoftheautomatictoolpositioningwasdesignedtosetuptheworkpiececoordinate,tomeasuretheworkpiece’spositionandpose,andtocalibratetheMRF’sbladeautomatically.Theunitformeasuringthenormalcontourwasputforwardtocheckpolishing’seffectin-sitebeforepolishingtheworkpiece.Themoduleofthesecurityrollbackforthepolishingheadcollisionwasdesignedtoprotecttheworkpieceandthemachineinemergency.Experimentsshowedthevalidityoftheanti-collisionstrategiesandmethodswithprevention,predictiveandproactiveemergencysafetyfeatures.ThetechnologyisbeeningappliedintheseriesMRFmachinesdevelopedbyCAEPsuchasPKC600-Q1、PKC1000-Q2andsoon.Andtheanti-collisionsystemwasverifiedinengineeringapplicationsforMRFpolishing.

anti-collision;MRFpolishing;probesfortoolpositioning;on-siteprofilemeasurement

1001-2265(2016)08-0100-05DOI:10.13462/j.cnki.mmtamt.2016.08.028

2016-03-07；

2016-03-20

國家“高檔數控機床與基礎制造裝備”科技重大專項“強激光光學元件超精密制造關鍵裝備研制”(2013ZX04006011)

黃明(1972—)，男，四川漢源人，中國工程物理研究院機械制造工藝研究所高級工程師，博士研究生，研究方向為工藝裝備安全性與可靠性、精密計量轉臺研發，(E-mail)hmhy1972@163.com；

陳華(1980—),男，四川達川人，中國工程物理研究院機械制造工藝研究所高級工程師，博士研究生，研究方向為磁流變拋光控制系統、多軸聯動輪廓控制、工業過程量的無模型控制，(E-mail)mrchenhua@163.com。

TH16；TG65

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