光學(xué)非球面零件凹面的機器人柔性拋光

劉海濤，李 野，王銀河，趙 隕，穆佳麗

(沈陽儀表科學(xué)研究院有限公司，遼寧 沈陽 110043)

在光學(xué)系統(tǒng)中，非球面零件起到非常大的作用，比如矯正像差，提高成像質(zhì)量和分辨力等，所以在光學(xué)系統(tǒng)中，經(jīng)常會使用非球面零件代替球面零件，這樣能夠達到簡化儀器結(jié)構(gòu)，降低整個光學(xué)系統(tǒng)的尺寸和質(zhì)量，由此降低相應(yīng)成本，而且能夠提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性[1-4]。但是如何得到合格的光學(xué)非球面零件是重點和難點。使用工業(yè)機器人代替?zhèn)鹘y(tǒng)手工對非球面零件進行拋光加工是現(xiàn)階段主要的研究方向，工業(yè)機器人能夠?qū)崿F(xiàn)無死角全自由度，而且穩(wěn)定性好，以及具有高效性和較大的工作范圍，在很多領(lǐng)域得到了廣泛使用[5-6]。

本文結(jié)合實際工作內(nèi)容，采用機器人為光學(xué)非球面零件凹面做柔性拋光，自主研制開發(fā)了用于光學(xué)非球面零件凹面的機器人柔性拋光系統(tǒng)，并運用這套系統(tǒng)對精密銑磨成型后的光學(xué)非球面鏡零件凹面進行快速確定性拋光加工試驗，使其能夠指導(dǎo)實際生產(chǎn)，為改進生產(chǎn)方式打下良好的基礎(chǔ)。

1 機器人柔性拋光系統(tǒng)

機器人柔性拋光的基本思想是在機器人末端連接1個拋光盤，這個拋光盤要比光學(xué)工件的最大面形直徑小得多，拋光盤在工件表面上沿設(shè)計好的軌跡運動，拋光時，每點的停留時間、每點的拋光壓力以及拋光盤與工件每點的相對運動速度等是非常主要的參數(shù)，通過控制這幾個參數(shù)，就能夠使工件上每點的去除量得到準(zhǔn)確的控制，從而使工件面形誤差收斂在可接受的范圍內(nèi)。實質(zhì)是，讓工業(yè)機器人能夠吸取光學(xué)技術(shù)人員的相關(guān)經(jīng)驗，模擬用于光學(xué)加工，拋光盤可以按照工件面形運動，去除加工區(qū)域內(nèi)的多余材料，對相應(yīng)機器人操作者的經(jīng)驗要求較低，可重復(fù)性好，而且可根據(jù)工件面形制定相應(yīng)的加工方案，這樣，采用機器人柔性拋光方式在一定程度上提高了加工效率和加工質(zhì)量。

機器人柔性拋光系統(tǒng)主要是由機器人、力傳感器、單軸機、拋光液自動噴灑器、拋光盤、工件和鏡盤等組成(見圖1)。

圖1 機器人柔性拋光系統(tǒng)示意圖

2 理論建模

光學(xué)零件的表面拋光，首先要保證面形加工精度，在此前提下，要得到良好的表面粗糙度；因此，在理想狀態(tài)下，在拋光過程中，要同時控制好各種工藝參數(shù)。但在實際情況下，拋光零件上每一點的拋光壓力、相對運動速度以及拋光角度等各種因素都是不同的，所以要想獲得良好的拋光效果，就要深入研究分析所采用的拋光方式、工具，以及每點的拋光去除量的不同[7-8]。

光學(xué)加工比機械加工更加復(fù)雜，因為在光學(xué)工件的拋光加工過程中，在工件表面上，不但存在著機械切削和化學(xué)兩方面共同作用，而且還存在著分子流動現(xiàn)象。光學(xué)拋光是一個比較復(fù)雜的過程，影響因素有很多，比如拋光時的壓力和轉(zhuǎn)速、運動方式、拋光盤的選取和制作、拋光粉的性質(zhì)和顆粒直徑，以及拋光液的pH值等，所以為了更好地研究拋光運動，需要做一定的假設(shè)，并建立相應(yīng)的數(shù)學(xué)模型。Preston假設(shè)就是一個著名的假設(shè)[9-11]。

經(jīng)過Preston假設(shè)的數(shù)值運算，拋光過程在一個非常大的數(shù)值范圍內(nèi)可以用式1這樣的線性關(guān)系來描述。

(1)

式中，A為比例系數(shù)，由除了拋光速度和拋光壓力以外的影響因子決定；r為拋光時間；V為拋光表面一點(a,b)以及拋光點瞬時r的拋光速度，V=V(a,b,r)；F為拋光點(a,b)和瞬時r的拋光壓力函數(shù)值，F(xiàn)=F(a,b,r)。

在假設(shè)中，由于比例系數(shù)A的存在，拋光點的去除量、壓力和瞬時速度就建立起來了一個線性關(guān)系。根據(jù)拋光點與拋光盤之間的拋光壓力、相對運動速度，以及拋光時間，就能算出此時段內(nèi)拋光表面的去除量ΔH，ΔH計算公式如下：

(2)

ΔH(a,b)=H0(a,b)-H(a,b)

(3)

式中，H0(a,b)是r=0時表面高度；H(a,b)是時間為r時表面高度。

綜上假設(shè)及式1～式3，建立如下的去除函數(shù)用來描述拋光過程中的去除量：

(4)

在柔性拋光研究領(lǐng)域現(xiàn)階段，其理論去除量的研究較為成熟。如果拋光過程中拋光點的壓力、拋光相對運動速度，以及拋光時間已知，那么就能算出拋光點的去除量，因此，通過控制這幾個參數(shù)，就能使工件上每點的去除量得到準(zhǔn)確的控制，最終使工件面形誤差收斂在可接受的范圍內(nèi)。

上述提到的幾個拋光參數(shù)中，拋光時間的變化對去除量線性變化較大，因此，在保證拋光相對運動速度和拋光壓力不變的前提下，可通過控制拋光盤在拋光點的停留時間，以此對拋光進行系統(tǒng)控制，拋光試驗可以更容易實現(xiàn)。

3 試驗與分析

結(jié)合機器人柔性拋光的技術(shù)特點和運動特性，以及拋光工件的加工特點，設(shè)計了一套用于光學(xué)非球面零件凹面的機器人柔性拋光系統(tǒng)，并運用這套系統(tǒng)對口徑為400 mm的光學(xué)非球面鏡凹面進行了拋光試驗。工件圖如圖2所示，實際拋光加工如圖3所示。

圖2 工件圖

圖3 實際拋光加工圖

試驗時，先將工件裝夾在單軸機的夾持機構(gòu)上，需要人工裝夾。機器人帶有力傳感器，可以根據(jù)面形上每點的不同進行受力拋光，以保證拋光表面受力的均勻性，并且拋光液能夠定時自動噴灑到鏡片加工面上，機器人和單軸機聯(lián)動進行拋光加工，經(jīng)過反復(fù)的拋光、檢測和修正等一系列動作，直至完成拋光。工件完整的拋光加工流程如圖4所示。

圖4 機器人拋光工藝流程圖

拋光試驗時，拋光壓力根據(jù)每次的拋光效果進行調(diào)整，結(jié)合以往的經(jīng)驗和現(xiàn)場調(diào)試效果，機器人加在工件上的力為200～300 N。拋光加工時，拋光盤

與鏡片呈一定的角度變化，約為5°～35°。試驗過程采用取點拋光的形式，每一個點逐一進行壓力調(diào)試和拋光時間的選擇，再根據(jù)拋光的效果進行修正，反復(fù)這一系列動作，直到獲得較為滿意的結(jié)果，并生成機器人文件保存記錄。選取其中1組試驗數(shù)據(jù)見表1，從底孔到最大口徑處選取15個點，一次走完所有點用時為5 min，整個拋光過程約為40 min。

表1 試驗數(shù)據(jù)

拋光完成件檢驗的主要項目包括表面粗糙度、麻點和擦痕。檢驗標(biāo)準(zhǔn)見表2，檢驗結(jié)果見表3。工件拋光后鍍膜的情況如圖5和圖6所示。

表2 檢驗標(biāo)準(zhǔn)

表3 檢驗結(jié)果

圖5 拋光后鍍膜鏡片整體圖

圖6 拋光后鍍膜鏡片局部視圖

通過表3和圖6可知，拋光效果還不是很理想，有的地方還沒有完全拋光干凈，主要原因是力沒達到或者是拋光時間不夠；有的是在兩拋光點的間隙位置出現(xiàn)較為空白的區(qū)域，主要原因是拋光點取的不合理或拋光盤制作的不太合理。經(jīng)過多次試驗驗證，用機器人可以為非球面鏡工件做柔性拋光，拋光盤與鏡片內(nèi)表面接觸較好，并且運行較為穩(wěn)定，但是，拋光的質(zhì)量需要靠提升相關(guān)的工藝來保證，后續(xù)還有很多工作要進一步完善。

4 結(jié)語

本文使用機器人為光學(xué)非球面零件凹面做柔性拋光，研制了一套用于光學(xué)非球面零件凹面拋光加工的機器人柔性拋光系統(tǒng)，并且利用這套拋光系統(tǒng)對實際工件進行了拋光加工試驗，得到了較好的試驗結(jié)果，驗證了使用機器人能夠?qū)崿F(xiàn)對光學(xué)非球面零件凹面進行拋光加工，但是該試驗也存在一些不足之處，需要在后續(xù)的優(yōu)化設(shè)計中進一步改進。

對下一步工作的設(shè)想：首先，優(yōu)化裝夾機構(gòu)的結(jié)構(gòu)，改進裝夾方式，用自動裝夾方式替代人工裝夾，這樣才能使得每次加工的裝夾具有一致性，更加符合機器人自動化生產(chǎn)方式；其次，研究加工工藝，如拋光方式、拋光材料和拋光力的大小等；最后，要深入研究與機器人末端相連的拋光工具的結(jié)構(gòu)，因為對于機器人柔性拋光來說，機器人終端控制的拋光工具是獲得良好拋光效果的核心部件，決定著拋光效率和拋光質(zhì)量。因此，后續(xù)還有非常多的工作要做，只有做好這些工作，機器人才能更好地為光學(xué)非球面零件凹面做柔性拋光，才能做出更理想的產(chǎn)品，才能擁有更加廣闊的市場。

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