基于華中數(shù)控的磁流變拋光機(jī)床工藝過(guò)程設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)*

唐小會(huì) 陳 華 鄭永成 羅 清 黃 文 吉 方

(中國(guó)工程物理研究院機(jī)械制造工藝研究所，四川 綿陽(yáng) 621900)

磁流變拋光是近十多年才發(fā)展起來(lái)的一種高確定性柔性拋光技術(shù)，是獲得超光滑光學(xué)表面的理想工藝之一「1-3］。它主要利用磁流變拋光液在高強(qiáng)度梯度磁場(chǎng)時(shí)變成具有粘塑性的Bingham 介質(zhì)，形成具有一定形狀與硬度的“柔性磨頭”，通過(guò)控制柔性磨頭與工件之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，在柔性磨頭與工件表面相接觸的區(qū)域產(chǎn)生很大的剪切力，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)工件表面材料的去除［4］。

磁流變拋光使用的刀具是“柔性磨頭”，而“柔性磨頭”不同于常用的加工刀具，目前數(shù)控機(jī)床加工中仍普遍采用的手動(dòng)試切對(duì)刀法不適用于柔性磨頭的對(duì)刀。常規(guī)的手動(dòng)標(biāo)定方法很難避免人為因素如操作方法、技能等的不同所帶來(lái)的標(biāo)定結(jié)果的不一致，而采用普通的測(cè)量方法也很難實(shí)現(xiàn)“柔性磨頭”的精確測(cè)量，因此必須基于通用數(shù)控系統(tǒng)開(kāi)發(fā)與“柔性磨頭”相關(guān)的專用功能:自動(dòng)標(biāo)定磨頭尺寸、精確建立磨頭與工件之間的相對(duì)幾何關(guān)系，以便自動(dòng)建立工件坐標(biāo)系為磁流變拋光實(shí)現(xiàn)數(shù)控編程奠定基礎(chǔ)。

1 磁流變拋光的工藝特點(diǎn)

磁流變拋光是一種計(jì)算機(jī)控制的確定性拋光過(guò)程［5］，基于計(jì)算機(jī)控制光學(xué)表面成型(CCOS)的工藝方法，在確定材料去除模型的基礎(chǔ)上，結(jié)合加工前測(cè)量的工件面形，根據(jù)選定的駐留時(shí)間計(jì)算方法，計(jì)算出駐留時(shí)間并完成路徑規(guī)劃，然后通過(guò)數(shù)控機(jī)床完成加工過(guò)程。磁流變拋光過(guò)程中，浸入深度是影響拋光效率以及元件表面粗糙度的重要因數(shù)之一［6］。為了保證加工結(jié)果面形與預(yù)期面形的一致性，必須保證加工過(guò)程中拋光輪和工件之間的恒定間隙，即需要保證柔性磨頭的一致性和準(zhǔn)確性，因此實(shí)際加工過(guò)程中，柔性磨頭需要精確標(biāo)定，工件需要準(zhǔn)確定位。

2 柔性磨頭標(biāo)定機(jī)構(gòu)

根據(jù)上述工藝過(guò)程描述可知，在相同工藝條件下，需要對(duì)柔性磨頭的高度進(jìn)行精確標(biāo)定。在拋光頭結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中增加柔性磨頭標(biāo)定機(jī)構(gòu)輔助實(shí)現(xiàn)磨頭精確標(biāo)定［7］。柔性磨頭標(biāo)定機(jī)構(gòu)包括高精度測(cè)量探頭和探頭移動(dòng)機(jī)構(gòu)兩大部分，如圖1 所示。探頭移動(dòng)機(jī)構(gòu)安裝在帶動(dòng)拋光輪Z 向移動(dòng)的機(jī)床Z 向執(zhí)行機(jī)構(gòu)上，并且探頭移動(dòng)機(jī)構(gòu)可以相對(duì)于Z 向執(zhí)行機(jī)構(gòu)(拋光輪)上下運(yùn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)測(cè)量探頭在兩個(gè)工作位置(工作位、準(zhǔn)備位)之間切換。測(cè)量探頭的工作位置與拋光輪下面拋光點(diǎn)W 的高度差H 是恒定的，并通過(guò)機(jī)械結(jié)構(gòu)保證。在進(jìn)行柔性磨頭標(biāo)定和工件位姿測(cè)量等輔助工藝工程時(shí)，探頭移動(dòng)機(jī)構(gòu)相對(duì)于Z 向執(zhí)行機(jī)構(gòu)(拋光輪)下降，測(cè)量探頭處于工作位(如圖1);在進(jìn)行光學(xué)元件拋光時(shí)，探頭移動(dòng)機(jī)構(gòu)相對(duì)于Z 向執(zhí)行機(jī)構(gòu)(拋光輪)上升，測(cè)量探頭處于準(zhǔn)備位(如圖1)。

3 工藝過(guò)程設(shè)計(jì)

3.1 柔性磨頭標(biāo)定工藝設(shè)計(jì)

柔性磨頭標(biāo)定采用對(duì)刀器、雷尼紹高精度測(cè)量探頭結(jié)合機(jī)床的G 指令和M 指令功能實(shí)現(xiàn)緞帶自動(dòng)化標(biāo)定流程。操作者在圖形化的緞帶標(biāo)定界面(如圖2)根據(jù)去除率輸入緞帶厚度P 和控制磨頭的循環(huán)系統(tǒng)參數(shù)，并啟動(dòng)磨頭循環(huán)系統(tǒng)。監(jiān)測(cè)循環(huán)系統(tǒng)的工藝參數(shù)，等待循環(huán)系統(tǒng)穩(wěn)定后，啟動(dòng)“緞帶厚度標(biāo)定”自動(dòng)程序，用對(duì)刀器效驗(yàn)實(shí)際緞帶厚度與設(shè)定緞帶厚度是否相同。如果標(biāo)定緞帶厚度與設(shè)定值相同，標(biāo)定過(guò)程結(jié)束;如果實(shí)際緞帶厚度偏小或偏大，調(diào)整磨頭控制參數(shù)，然后繼續(xù)等待循環(huán)系統(tǒng)穩(wěn)定后觀察實(shí)際緞帶厚度，直到實(shí)際緞帶厚度與設(shè)定緞帶厚度相同，以保證緞帶厚度達(dá)到光學(xué)元件拋光工藝要求。緞帶標(biāo)定操作流程如圖3 所示。緞帶標(biāo)定流程中“標(biāo)定緞帶厚度”是影響緞帶標(biāo)定結(jié)果一致性的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。

緞帶標(biāo)定操作流程中“標(biāo)定緞帶厚度”步驟的具體流程是:首先探頭移動(dòng)機(jī)構(gòu)(如圖1)帶動(dòng)測(cè)量探頭下降到探頭工作位，機(jī)床Z 向執(zhí)行機(jī)構(gòu)(如圖1)向下移動(dòng)Z 軸，帶動(dòng)安裝在Z 軸上的測(cè)量探頭向下接觸水平安裝的對(duì)刀器，精確標(biāo)定測(cè)量探頭接觸對(duì)刀器時(shí)的位置并記錄坐標(biāo)Z0，測(cè)量探頭上升到探頭準(zhǔn)備位，機(jī)床Z 向執(zhí)行機(jī)構(gòu)向下移動(dòng)Z 軸，帶動(dòng)安裝在Z 向執(zhí)行機(jī)構(gòu)上的拋光輪向下移動(dòng)，同時(shí)帶動(dòng)拋光輪上的緞帶向下移動(dòng)，逐步接近對(duì)刀器，直到拋光輪工作點(diǎn)W 下降到Z0 -H+P 位置時(shí)停止，此時(shí)拋光輪工作點(diǎn)W 與對(duì)刀器之間的距離正好為設(shè)定的緞帶厚度P?！皹?biāo)定緞帶厚度”環(huán)節(jié)的運(yùn)動(dòng)步驟繁多，采用手動(dòng)方式實(shí)現(xiàn)比較繁瑣，而且容易引起因操作失誤導(dǎo)致的拋光輪碰撞等安全隱患。而緞帶厚度是影響磁流變拋光去除率的重要參數(shù)之一［7］，把“標(biāo)定緞帶厚度”設(shè)計(jì)為固定循環(huán)G 指令可以有效提高機(jī)床的易操作性和安全性，而且保證了緞帶標(biāo)定結(jié)果的一致性。

3.2 工件位姿測(cè)量工藝設(shè)計(jì)

磁流變拋光是一種計(jì)算機(jī)控制的確定性拋光過(guò)程，因此需要建立精確的工件坐標(biāo)系，即建立光學(xué)元件拋光的磨頭相對(duì)元件加工起始點(diǎn)在機(jī)床坐標(biāo)系的位置坐標(biāo)。

由于大型光學(xué)元件一般為400 mm ×400 mm 左右，尺寸較大，在水平工作臺(tái)上對(duì)稱安裝比較困難。為簡(jiǎn)化元件裝調(diào)難度，采用柔性磨頭標(biāo)定機(jī)構(gòu)中的高精度測(cè)量探頭分別測(cè)量光學(xué)元件的XY 上端面、YZ 左端面、YZ 右端面、ZX 前端面、ZX 后端面等5 個(gè)端面，并實(shí)時(shí)記錄各測(cè)量點(diǎn)的X、Y、Z 坐標(biāo)，然后結(jié)合測(cè)量探頭與磁流變拋光磨頭之間的位置關(guān)系，通過(guò)坐標(biāo)轉(zhuǎn)換矩陣建立元件拋光的起刀點(diǎn)在機(jī)床坐標(biāo)系中的位置，并把工件坐標(biāo)系的值自動(dòng)寫(xiě)入G54。工件位姿測(cè)量流程如圖4 所示。

不同的工藝路徑規(guī)劃策略采用的工件起刀點(diǎn)不同，如常用的螺旋線拋光路徑規(guī)劃通常以工件上表面的回轉(zhuǎn)中心作為工件坐標(biāo)系原點(diǎn)，之字形拋光路徑規(guī)劃通常以工件上表面的左下角作為工件坐標(biāo)系原點(diǎn)。為簡(jiǎn)化操作，把工件位姿測(cè)量流程歸一化，針對(duì)不同的工藝路徑規(guī)劃策略，采用不同的坐標(biāo)變換方式自動(dòng)適應(yīng)工藝規(guī)劃對(duì)工件坐標(biāo)系的要求。

4 工藝流程自動(dòng)化方法

針對(duì)不同的數(shù)控系統(tǒng)，工藝流程的自動(dòng)化方法各異。840D 等國(guó)外的高檔數(shù)控系統(tǒng)針對(duì)鉆孔、端面測(cè)量等專用流程一般都有通用固定循環(huán)G 代碼或宏程序［8］，用戶直接調(diào)用或進(jìn)行適應(yīng)性改造就可以使用。華中數(shù)控目前還沒(méi)有針對(duì)專用流程設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)通用的固定循環(huán)G 代碼或?qū)Ｓ煤瓿绦颍仨毟鶕?jù)工藝需求自己開(kāi)發(fā)。

4.1 華中數(shù)控工藝過(guò)程自動(dòng)化方法

華中數(shù)控實(shí)現(xiàn)工藝過(guò)程自動(dòng)化的方式主要有三種，一種是數(shù)控宏程序，一種是固定循環(huán)G 代碼，一種是利用UG、Pro/E、Cimatron、MasterCAM、PowerMILL 等世界知名CAD/CAM 軟件自動(dòng)編程。由于磁流變拋光專用工藝流程自動(dòng)化的目的主要在于簡(jiǎn)化操作過(guò)程，降低操作難度，而且固定循環(huán)G 代碼編程方式具有程序靈活性大，容易實(shí)現(xiàn)參數(shù)化和系列化，程序調(diào)試方便等優(yōu)點(diǎn)，因此采用固定循環(huán)G 代碼方式實(shí)現(xiàn)工藝流程的自動(dòng)化。下面詳細(xì)介紹用華中數(shù)控固定循環(huán)G 代碼實(shí)現(xiàn)磁流變拋光專用工藝過(guò)程的方法。

4.2 華中數(shù)控固定循環(huán)G 指令開(kāi)發(fā)方法

(1)變量定義

華中數(shù)控系統(tǒng)變量分為全局變量、局部變量和系統(tǒng)變量。全局變量的序號(hào)為#50～#199;當(dāng)前局部變量的序號(hào)為#0～#49，0 層局部變量為#200～#249，1 層局部變量為#250～#299，以此類推，直到7 層局部變量為#550～#599;系統(tǒng)變量的序號(hào)為#600～#1194。對(duì)于每個(gè)局部變量，可采用系統(tǒng)宏AR［］來(lái)判斷該變量是否被定義為增量或絕對(duì)方式。

(2)模態(tài)數(shù)據(jù)處理

在循環(huán)G 指令編寫(xiě)時(shí)，會(huì)使用很多的簡(jiǎn)單G 代碼，它們大多數(shù)為模態(tài)代碼，這就給編程帶來(lái)一些潛在的問(wèn)題，若不對(duì)模態(tài)數(shù)據(jù)進(jìn)行保存和恢復(fù)，當(dāng)退出循環(huán)G 指令時(shí)，其中的模態(tài)G 代碼(數(shù)據(jù))會(huì)繼續(xù)有效。如果主調(diào)程序使用的模態(tài)G 指令與被調(diào)用的固定循環(huán)G指令中使用的模態(tài)G 指令不一致，就會(huì)出現(xiàn)問(wèn)題，而且很難查找。在循環(huán)G 指令編寫(xiě)時(shí)，需要對(duì)模態(tài)G 指令進(jìn)行保存和恢復(fù)操作，例如G 代碼組01(運(yùn)動(dòng)指令，變量#1151)、G 代碼組02(平面選擇，變量#1152)、G代碼組13(尺寸模式，變量#1163)、G 代碼組08(測(cè)量單位，變量#1158)等［9］。

5 工藝過(guò)程固定循環(huán)指令開(kāi)發(fā)

5.1 端面測(cè)量固定G 代碼開(kāi)發(fā)

五點(diǎn)端面測(cè)量法實(shí)現(xiàn)工件位姿測(cè)量方法中，每個(gè)端面測(cè)量流程相同，僅僅是測(cè)量端面不同。下面詳細(xì)介紹工件位姿測(cè)量流程中單個(gè)端面測(cè)量流程的固定循環(huán)指令開(kāi)發(fā)。

(1)宏變量定義

#1 工作臺(tái)中心X 坐標(biāo)

#2 工作臺(tái)中心Y 坐標(biāo)

#3 測(cè)量起始點(diǎn)

#4 測(cè)量行程

#5 粗測(cè)速度

#6 精測(cè)速度

#7 快速回退速度

#40 保存G 代碼組02 信息

#1191 NC 程序與PLC 握手信號(hào)

(2)端面測(cè)量的固定循環(huán)源程序

(3)G1042 指令

指令格式:G1042 C--D--E--F--G

C:測(cè)量起始點(diǎn);D:測(cè)量行程;E:粗測(cè)速度;F:精測(cè)速度;G:快速回退速度。

5.2 標(biāo)定緞帶厚度固定G 代碼開(kāi)發(fā)

(1)宏變量定義

#1 對(duì)刀器頂尖點(diǎn)的X 坐標(biāo)

#2 對(duì)刀器頂尖點(diǎn)的Y 坐標(biāo)

#4 標(biāo)定行程

#5 標(biāo)定速度

#7 回退速度

#8 緞帶厚度

#9 Z 軸下降距離

#11 拋光輪工作點(diǎn)W 與測(cè)量探頭的X 向坐標(biāo)差

#12 拋光輪工作點(diǎn)W 與測(cè)量探頭的Y 向坐標(biāo)差

#13 拋光輪工作點(diǎn)W 與測(cè)量探頭的Z 向坐標(biāo)差

#40 代碼組2 模式信息

#1191 NC 程序 與PLC 握手信號(hào)

(2)標(biāo)定緞帶厚度的固定循環(huán)源程序

(3)G1045 指令

指令格式:G1045 C--

C:緞帶厚度。

5.3 循環(huán)G 指令的調(diào)用

將編寫(xiě)的固定循環(huán)指令源代碼移植到系統(tǒng)的USERDEF.CYC 文件中。加工時(shí)，通過(guò)具體G 指令以參數(shù)傳遞的形式調(diào)用源代碼程序。對(duì)于操作者而言，如測(cè)量單個(gè)端面只需要調(diào)用G1042，并知道各個(gè)參數(shù)的含義即可。工件位姿測(cè)量只需要多次調(diào)用G1042并正確設(shè)置不同端面的測(cè)量參數(shù)即可輕松實(shí)現(xiàn)。

6 結(jié)語(yǔ)

根據(jù)磁流變拋光的工藝需求設(shè)計(jì)了柔性磨頭標(biāo)定工藝流程和工件位姿測(cè)量工藝流程，并設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)了基于國(guó)產(chǎn)華中HNC818B 數(shù)控系統(tǒng)的磁流變拋光專用輔助工藝過(guò)程固定循環(huán)G 指令。應(yīng)用結(jié)果表明用固定循環(huán)G 指令方式實(shí)現(xiàn)的輔助工藝靈活性好，操作簡(jiǎn)單，有效提高了機(jī)床的自動(dòng)化水平和安全性。

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