機(jī)器人拋光系統(tǒng)在陶瓷導(dǎo)軌加工中的應(yīng)用

成賢鍇， 蔡黎明， 陳 琦,2， 于 涌

(1.中國(guó)科學(xué)院 蘇州生物醫(yī)學(xué)工程技術(shù)研究所，江蘇 蘇州 215163; 2中國(guó)科學(xué)院 長(zhǎng)春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所，吉林 長(zhǎng)春 130033)

0 引 言

機(jī)床導(dǎo)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(guān)鍵因素之一。導(dǎo)軌面的材質(zhì)及其匹配對(duì)導(dǎo)軌運(yùn)動(dòng)副的摩擦學(xué)特性和機(jī)床(尤其在重載低速運(yùn)行情況下)的動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性影響甚大。在近代，隨著導(dǎo)軌耐磨性、精度要求的不斷提高，國(guó)外首先出現(xiàn)了陶瓷導(dǎo)軌。在納米級(jí)加工設(shè)備和醫(yī)療器械等需要非磁性環(huán)境的用途中，將陶瓷材料作為耐磨副可以獲得摩擦系數(shù)小、耐磨損、防爬行、定位準(zhǔn)確、耐老化、耐酸堿的導(dǎo)軌摩擦副，因此陶瓷材料有望成為提高機(jī)床加工精度、延長(zhǎng)導(dǎo)軌副使用壽命的良好選擇[1-4]。

正因?yàn)樘沾刹牧系母哂捕?、高耐磨性和檢測(cè)手段的局限，想要加工出高精度的陶瓷導(dǎo)軌工藝復(fù)雜[5-9]。本文研發(fā)一套基于工業(yè)機(jī)器人的研磨拋光系統(tǒng)[10-13]，對(duì)具有微米級(jí)精度的陶瓷導(dǎo)軌進(jìn)行拋光，提高其表面光潔度，通過平面干涉儀檢測(cè)其面型精度，根據(jù)檢測(cè)出的面型數(shù)據(jù)及特點(diǎn)，結(jié)合相關(guān)的拋光工藝，規(guī)劃出下一次拋光時(shí)運(yùn)動(dòng)軌跡并加工，重復(fù)上述過程直至陶瓷導(dǎo)軌面型達(dá)到設(shè)計(jì)的面型精度要求。

平面干涉儀可以達(dá)到納米級(jí)檢測(cè)，提供了超精密陶瓷導(dǎo)軌加工的檢測(cè)依據(jù)；而且平面干涉儀可以還原整個(gè)面型特征和高頻誤差，為陶瓷導(dǎo)軌面的面型分析和工藝研究提供數(shù)據(jù)。機(jī)器人拋光系統(tǒng)采用把規(guī)劃軌跡編制成加工程序文件，輸入加工設(shè)備實(shí)現(xiàn)加工[14-15]，保證了同一運(yùn)動(dòng)軌跡的一致性，加工結(jié)果便于工藝研究與分析。

1 系統(tǒng)組成

1.1 工業(yè)機(jī)器人

本文采用的工業(yè)機(jī)器人為德國(guó)KUKA的KR60HA中負(fù)荷高精度六軸機(jī)器人。機(jī)器人負(fù)荷60 kg，最大作用范圍2 033 mm，重復(fù)精確度優(yōu)于±0.05 mm。

機(jī)器人本體實(shí)現(xiàn)陶瓷導(dǎo)軌加工過程中的平面研磨拋光運(yùn)動(dòng)，其研磨拋光軌跡是復(fù)雜的曲線。首先需要對(duì)運(yùn)動(dòng)軌跡進(jìn)行規(guī)劃，然后通過離線編程方式把規(guī)劃好的運(yùn)動(dòng)軌跡轉(zhuǎn)換成機(jī)器人能夠運(yùn)行的程序文件，把文件導(dǎo)入機(jī)器人的獨(dú)立控制系統(tǒng)KRC2，實(shí)現(xiàn)規(guī)劃軌跡的連續(xù)運(yùn)動(dòng)。

1.2 研磨拋光頭

拋光軸采用內(nèi)裝式電機(jī)驅(qū)動(dòng)主軸，電機(jī)轉(zhuǎn)子直接裝在拋光主軸上，電機(jī)的定子固定在電機(jī)座上，通過固定座安裝在工業(yè)機(jī)器人法蘭盤上。電機(jī)采用無刷直流力矩電機(jī)，可方便地進(jìn)行主軸的無極變速，同時(shí)消除了電刷引起的摩擦振動(dòng)。拋光頭基本結(jié)構(gòu)如圖1所示，由主軸、力矩電機(jī)、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(jié)構(gòu)

該結(jié)構(gòu)具有以下技術(shù)特點(diǎn)：主軸通過銷帶動(dòng)伸縮軸轉(zhuǎn)動(dòng)；伸縮軸通過銷與腰形槽的配合實(shí)現(xiàn)伸縮功能，避免拋光盤給工件帶來剛性沖擊，并通過彈簧實(shí)現(xiàn)拋光壓力的調(diào)整；拋光盤與拋光桿球頭接觸，實(shí)現(xiàn)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(biāo)準(zhǔn)彈簧夾頭，方便拆卸安裝工作，為實(shí)際應(yīng)用提供了便利；電機(jī)及輸出軸為主軸提供動(dòng)力，采用分裝式電機(jī)有利于作動(dòng)靜平衡，可以降低運(yùn)動(dòng)中的自激振動(dòng)。

拋光頭電機(jī)選擇AEROTECH的S-130-81無刷直流力矩電機(jī)，驅(qū)動(dòng)器選擇Copley的XTL-230-18，拋光頭的運(yùn)動(dòng)控制采用速度控制模式。拋光系統(tǒng)首先需要進(jìn)行基本配置，輸入電機(jī)、驅(qū)動(dòng)器和編碼器的相關(guān)參數(shù)，進(jìn)行電流環(huán)和速度環(huán)的調(diào)試，直至調(diào)試結(jié)果滿足設(shè)計(jì)要求。最后對(duì)拋光系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，監(jiān)測(cè)的電機(jī)參數(shù)有指令速度、實(shí)際電機(jī)速度和實(shí)際電流，監(jiān)測(cè)的狀態(tài)有軟硬件是否使能、相位是否出錯(cuò)等。

1.3 陶瓷導(dǎo)軌的加工過程

高精度陶瓷導(dǎo)軌的加工流程如圖2所示，先用天然或合成化合物經(jīng)過成形和高溫?zé)Y(jié)形成陶瓷毛坯件(陶瓷導(dǎo)軌)，然后對(duì)其4個(gè)面進(jìn)行反復(fù)磨削和研磨加工，使陶瓷導(dǎo)軌面的面型達(dá)到微米級(jí)精度要求(采用光學(xué)樣板對(duì)導(dǎo)軌面型進(jìn)行檢測(cè))，再用機(jī)器人拋光系統(tǒng)對(duì)陶瓷導(dǎo)軌面進(jìn)行拋光，使陶瓷導(dǎo)軌的表面光潔度提高，當(dāng)其光潔度達(dá)到一定程度時(shí)(平面干涉儀能檢測(cè)出陶瓷導(dǎo)軌的面型數(shù)據(jù))。通過平面干涉儀檢測(cè)其面型精度，根據(jù)檢測(cè)出的面型數(shù)據(jù)及特點(diǎn)，結(jié)合相關(guān)的拋光工藝，規(guī)劃出下一次拋光時(shí)運(yùn)動(dòng)軌跡，編制成機(jī)器人拋光系統(tǒng)可直接執(zhí)行的程序文件，結(jié)合機(jī)器人拋光系統(tǒng)對(duì)陶瓷導(dǎo)軌進(jìn)行下一次加工，重復(fù)上述過程直至陶瓷導(dǎo)軌面型達(dá)到設(shè)計(jì)的精度要求。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

陶瓷導(dǎo)軌在經(jīng)過研磨加工到達(dá)微米級(jí)精度之后，為了能夠檢測(cè)其面型精度，必須把導(dǎo)軌面拋亮，使用干涉儀對(duì)其進(jìn)行面型檢測(cè)。實(shí)驗(yàn)過程中機(jī)器人拋光系統(tǒng)首先對(duì)具有微米級(jí)精度的陶瓷導(dǎo)軌面進(jìn)行拋亮處理，ZYGO干涉儀采集的原始檢測(cè)面型如圖3所示，陶瓷導(dǎo)軌尺寸為400 mm×200 mm。根據(jù)檢測(cè)得到的面型，對(duì)陶瓷導(dǎo)軌面進(jìn)行了3 d的拋光，每天拋光完后重新進(jìn)行一次檢測(cè)，實(shí)驗(yàn)面型結(jié)果如圖4～6所示。

圖3 陶瓷導(dǎo)軌拋亮后的原始檢測(cè)面型

圖4 第1 d加工后檢測(cè)面型

圖5 第2 d加工后檢測(cè)面型

圖6 第3 d加工后檢測(cè)面型

3 d拋光的面型實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)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(jié)果 mm

3 結(jié) 語

本文設(shè)計(jì)的機(jī)器人拋光系統(tǒng)結(jié)合了工業(yè)機(jī)器人的加工優(yōu)點(diǎn)、超精密的拋光工藝和平面干涉儀的檢測(cè)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)高硬度和高耐磨性陶瓷導(dǎo)軌的高精度加工。由于陶瓷材料的去除特性相關(guān)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)還不夠，需要進(jìn)一步實(shí)驗(yàn)，繼續(xù)優(yōu)化拋光壓力、運(yùn)動(dòng)軌跡、運(yùn)動(dòng)速度、加工時(shí)間、拋光盤口徑等參數(shù)對(duì)陶瓷材料去除量的影響，逐步建立專家系統(tǒng)，從而更好地指導(dǎo)陶瓷導(dǎo)軌的高精度加工。

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