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应用于模具自由曲面的新型气囊抛光技术




卷第 期



机 械 工








应 用 于 模具 自由曲面 的新 型 气囊抛 光技 术
计时鸣 金 明生 张 宪
张 利

'

张银

东 袁 巨龙
杭州
.

浙 江 工 业 大学机械制造 及 自动化 省部 共建教育部 重 点实验室
摘要
为提高模具 自由曲面抛光 的效率和 品质
,

,

提 出一 种基 于柔 性抛光理 念的新型气囊抛 光技术 建立 相应的机
.

器 人抛光 系统

研 究旋 转型膨胀气囊抛光 工 具及 抛光过程中各 因 素对抛 光表面 粗糙度 的影响
,

对气囊抛光 工 具的


.

和 姿态控制问题 以及 抛 光工 具

以一 定下 陷深 度和倾斜角度 与被抛工 件接触时的接触 区 域的相 关特性进行分
,

析 在机器 人抛光系统 上 进行抛光 正 交试 验和 试验 数据分析 试验 中被抛 光 曲面平 均表面粗糙度达 到 了 的大面积柔性接触
,

获取表 面 粗糙度 的不 同影 响 因数 的最优参数组 合
,

,



.

研 究结果表 明

气囊抛光技 术可 实现 抛光工 具与被抛光工 件
,

通 过气 囊 内部 气压 的调节 和 机器 人抛光 系统对抛光 工 具的运 动轨迹和 姿态的精确控 制
.

可有

效地 提升 自由 曲面抛 光 的 品质和 效 率

关健 词

气囊抛光技 术 机器 人 抛光系统 抛光工 具

接触 区域

表面粗糙 度
.

中圈分 类号

前言
在模 具 制造 过 程 中 为获取平 滑 均匀和 高质 量 的表面 表 面 抛 光 处 理 是 必 不 可 少的工 艺环节
,
.
,

表面 粗糙度值 最后 对新型气囊抛 光 技术 的优势 进行 了 总结 并对研 究 工 作 中的重 点和 难点进行探
,

,

讨和 展 望
,

.

气 囊抛 光技 术
机器 人 抛光系统

目前

,

率低

,

模具 自由 曲面抛光主 要 由手 工 操作完成 效 劳动 强 度大 且 难 于 保 证 形 面 精度 和 稳定的
,
.

,

抛 光 品质

鉴于 手 工 抛 光方 式效率
,

,

品质 和 成本
.

机器 人抛光 系统 由旋转型膨胀 气囊抛 光工 具
抛 光工 作台
,

,

等 方面 的欠缺

设 计 与 开 发 一 种 能获取更 高抛 光 效
,

测速 仪

,

直 流稳 压 电源
.

,

气泵

,

气压

率和 表 面质 量 的 自动化抛 光技术是 非常重要的 在 自动 化抛光研 究领域
一 种新 型 的进 动 抛 光 技术
,

控 制系统 球

,



型 工 业 机 器 人和计 算机 新 型 气 囊抛光技术 的工

场叭

等 提 出了
,

等设备组 成

,

如图
.
·

所示

用 于 抛 光 大型平面
. .

作原 理 如 图 所示

面 或非球面 的光学镜头和 棱镜

等 开发 了一
其他 研 究者
.

种 由线性弹簧 支撑 的顺 从 型 抛 光 工 具
,

也 相继研 究和 开 发 了应 用 于 光学 元 件 模 具 钢 或 其 他材料的超声波 磁流 变 等新 型 自动化抛 光 技术阵 基 于柔 性抛光 理 念

, ,

,






提 出一 种新型气囊抛 光 技
,

以提 高模 具 自 由 曲面 抛光 的 稳 定 性

效 率和 品



.

建立 了相应的机 器 人抛 光系统
.

,

研 究 了旋 转 型

膨胀 气囊抛光工 具 及 抛光过程 中各 因 素对 抛光表 面
粗糙 度 的影响

其次

,

对 气囊 抛光 工 具 的位置和 姿
机器 人抛光 系统

态控 制 问题 以及 抛光工 具 以一 定下 陷深 度 和 倾斜 角
度与被 抛 工 件 接 触 时的接 触 区 域 的相 关特性进 行 了
分析
.

再者

,

在 机 器 人 抛 光 系 统 上 进 行 了抛光 正 交
,

抛光 过 程 中 力 由气 泵 提供
,

,

抛 光 工 具 前端 的 橡 胶 气 囊 内部 压
.

试 验 和 试 验 数据 分 析

给 出了表面 粗糙度 的不 同影

并可通 过 气 压 控 制系统调节
,

抛光
.

响 因 数 的最 优参数 组 合和 试验所获得 的最 佳 的 平均

工 具 的 主 轴旋转 由直 流 电动 机 驱 动
,

其转速 由直流
型 工 业 机器

稳 压 电源 控制 并通过测速 仪测 定其 实 际 工 作转 速
国家 自然科学基金
和 浙江 省 自然科 学基 金 似
.

资助

抛光 工 具通 过连 接板与
人 的执 行 末端 固接
.



项 目 第一 届全 国智能制造学 术会议推荐论文

收到初稿

,

收到修改稿

该 机 器 人具 有

自由度

,

可基

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计时鸣等 应用于模具 自由曲面的新型气囊抛光技术

宜 过 大或过 小

,

应 结合 被抛 工 件 曲率变化和 材料 去
.

除率 的需求加 以选 择 化
,

不 同接 触 区 域 曲率半径的变
,

抛光工 具 旋 转 主 轴与接触 中心 法 线方 向夹角 的
,

改变

以及 抛光 工 具 主 轴转速 的大小
. .

影 响接触 压

力和 抛 光接触面 的线速 度分布 率影 响驻 留时间 确定
直径
,

抛 光 工 具 的进 给 速

抛 光 工 具 的下 陷深 度 影响接 触 面
.

积和 各 点线速 度 的大 小 因此
,
,

磨 料 的选 取和 抛 光次数的
.
,

影 响材料去除率 和 表 面 质量

橡胶气囊 的 内部压 力
,
,

球 形 橡胶 气囊 的

抛 光 工 具 的主 轴转速
,

抛光 工 具相对 工 件表
,

面的进 给 速 率
于 示 教模式 或 编 程 控 制 计 算机 与机 器 人 之 间 的 远 程 控 制模 式
,

抛 光工 具 旋转主 轴 相 对 接触 中心 法 抛 光 工 具 的下 陷深 度
,

线方 向的倾斜角度
粒径
压力
,

磨料 的

抛光 的次数 等影 响 因 素

应 根据 需求 的接 触
.

在 三 维 空 间 内移动和 旋 转 抛光 工 作
,

.

,

材料去 除率和 表面粗 糙度值来 确 定

台可 以 固 定 抛 光 工 件

亦 可 控 制 工 件旋转
.

,

旋转 速

度 由伺 服 电动 机 的输 入 电压 进行 调 节
或 自由 曲面
,

机 器人 抛光

接触控制 与接触 区 域
抛 光 工 具 与 工 件 间 的 接 触 区 域特 性 由 抛 光 工 具 旋 转 主 轴相对 接触 中心 法 线 方 向的夹角
,

系统不 仅 能基 于 示 教模式或 编程控制 自动 抛 光平面
而 且 在 抛光过 程 中能方 便 地 改变抛光
.

工 具的旋 转 速 度 和 橡胶 气 囊 内部压 力

橡胶气
.

抛 光工 具

囊 的 内部压 力

.

,

以及 抛光 工 具 的下 陷深 度等 因 素 确

旋 转 型 膨 胀 气 囊 抛 光 工 具 的 前端 具有 一 个气
压 可 控 的柔 性橡胶气 囊
,

图 是 抛光工 具 与工 椒 平面 接触时的示意 图

其 内部 的压 力根据被抛 曲
.

面 的曲率变化和 局 部 材料去 除深 度进行 调 节

气囊

外 包 一 层抛光布 作为抛光 工 作 面 得 抛光 工 具表面具有 一 定 的柔性 好 地 贴合
.

.

气囊 内部气 压 使
可 与模 具 曲面很
.

,

抛光 工 具 的 设 计基 于 模 块化 理 念

第 一 模块 由

橡胶气囊

,

,

抛光布
.

,

气囊保持 架 和金 属 固定环 等 组

并通 过 气囊保 持架和 旋 转 主 轴 的连 接与第 二 模

块 建立 联 系

第 二 模 块 为第 一 模块提供所 需的旋转
.

动 力和 气 囊气 压

第 一 模块 是易拆 卸模块
,

,

方便磨
.

损件 或破损件 的更 换 特 别 是抛 光 布 的更 换 同 时
形 橡 胶气囊 的直 径 大 小
,

,

通过 改变 第 一 模块各部件 的尺 寸设计参数来 改 变球
以适应 曲率 和抛 光效率变
图 抛光 工 具 与工 件 的接触 区 域

化 的需求

.

旋转 型 膨 胀 气 囊 抛光 工 具 的特 点

由 电动 机 直
,

球 形 橡胶 气 囊 圆心 点 设 定 为 口 接 触 区 域 中心
点 设定 为

接 驱动

,

模块化 设计
,

,

气压 调 节 响应 快

工 具与 曲
,

接触边 界 点分别设定 为
之 间的 直 线距 离 为
,

和 点

.

假定

面 工 件 接触 面 积 大

柔性 接 触 具有 缓振作 用

抛光
.

抛 光 工 具旋 转 主 轴 与 工 件接触 中心 法 线 方 向夹 角 为

工 具 与 机 器 人 固接 后 易 于 实现 位 置 和 姿 态 的控制

刀 点



与点

和点

抛 光 参数

之 间的 直线 距 离 为

在抛 光过 程 中
,

,

有 很 多 影 响 参 数 需 要加 以考
,

抛光过 程 中 和控制 以实现
.

抛 光 工 具 的位 置 和 姿态 通 过 调 节



虑 测 量和 调节 橡胶气囊 内部压 力 是抛 光 过程 中
的重 要 因 素 影 响 抛 光 工 具 与工 件 之 间的接 触 压 力
,

.

型 工 业 机器 人 的关节 变量 加
,

基 于 机器 人 示 教模 式或 编 程 控 制
和刀
.

能 方便

地 确定 参 数

不 是一 个 常
,
.

材料 去 除深 度 和 误 差 补 偿

.

球 形 橡 胶气 囊 的直 径 影
,

了 抛 光 工 具 的下 陷 深 度 工 件表 面 的形 态 误 差

其 数值 决定 并 在 一 定 调 节 范 围 内补 偿

,

响抛光 工 具 与 工 件 间的接 触 面积

其 直 径 的选 取 不

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机 械





学 报



卷第 期

结合 图 离 即为

.

,

假定橡胶气囊 的半径值为
,

,

抛光
,

气 压 指 的是橡胶气囊 内部的压 力值
工 具 相对 工 件 的移 动速 度

主轴转速

工 具 的下 陷深 度为

则点
,

和点
.

之间的直线距
, ,

指的是抛光工 具的旋转速度 进给速率指的是抛光
磨料粒度指 的是磨料直
径 的大 小 下陷深 度 指 的是橡胶气囊 圆心 相对 工 件

根据 断面分 析
.

得 知 接触 区 域 为 圆 形
由点
,

即 为圆形 接触 区 域 的直 径

组成

的三 角形 是直 角三 角 形
出如 下 等 式

根据 上 述 分析 和 讨 论




初始接触点 的位 置 变化 量 角

倾斜角度指 的是抛光 工
.

具 主 轴 旋 转 方 向相 对 工 件接 触 中心 法 线 方 向的夹

抛光 次数指的是抛光 工 具周 期循环 的次数
,

在 加
式中

.

, 一

组 正 交试验 后 获 取 的最佳平均表面粗糙度





一 —抛光工 具 的主 轴旋转角速度 显然 和 的值 共 同决定 了 的
,
,

的线速 度

卿 四
.

,



组 试验 获取 的表 面 粗糙度 低 于

从 原始粗糙度
,

阿 到最后 的
,


,




最 少 时间组 只 用
,

抛光 区 域接近 长方形
.

大小 也

寸值 为


其最 佳表 面粗糙度

即影 响 了接触 区 域 的面 积 和 线速 度 分布

.

抛光 工 具

的倾斜 角度 刀和 主 轴 旋 转速 度 影 响接触 区 域 的线速



,

具 体见 图

度 分布

.

因此

,

调 节参 数

,

刀和

.

能很好 地 控制
.

工 件 表 面 的材 料去 除率和 表 面 粗糙 度值

在 本研 究 工 作 中是 一 个 己知量 的数值 为 所以
可 表达 为
万 扣.

.

,

试验 中取 定
,

根 据试验要 求加 以选择
,

在正
.

交试验研 究中分 别定 为



万,
,

通 过 理 论计 算

,


,

分 别取 上 述 三 个 数值时
,

值 分别为

,

证实

了大面积柔 性接 触的事实

.

抛光试验
正 交 试 验 是 寻 求 最 优 参 数 组 合 和 分析 各影 响

因 素 影 响 水平 的一 种有效试验方 式

.

抛 光 正 交试 验
.

通过前面提 出的机器人 抛光系统进行

试 验的基本条

,

件 球形橡胶气囊的直径为 青 橡胶气囊表面覆盖 的抛光布为
,

,

磨料为金刚石研 磨
工 件为

模具钢


,

其 原始平 均 表 面 粗 糙 度值 为
,

结合抛 光参 数 的分 析 确 定本 正 交试验 采 用 因 素 水平 即使用 ,正 交 试 验 表 具 体的 因
,
.



最佳表面 粗糙 度值
.

素水平分布 见 表


.

抛 光 前 后 平 均 表 面粗 糙 度 的 比 较 见 表
因素水平衰

从 图 均



模 具 表 面 质 量 的 比较图 可 发现 被抛表 面光 亮

,

,

,

——
因素
刃 八
,
· 一 ·





一一 一 — 厂一一味不一 — 一 一不万一一了一

,

能 映射 出手指

,

照相 机等其他 物 体 图

.

,

分 别 是 平 面 和 曲面 在抛 光 前 后 的表 面 质 量

气压

比较

主轴转 速

圃与

进 给速 率 竹




对 比条件

抛 光前 后 裹面粗桩度 比较
表面粗橄度 尺创 阿

磨料粒 度

下陷深 度
抛 光次数

加加

抛光前



倾斜角度 夕 司



抛光后

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年 月

计时鸣等 应用于模具 自由曲面的新型气囊抛光技术

抛 光 工 具进 给速 率

刃 而
,

,

磨料粒 度
,

,

抛光 工 具 下 陷深 度 角度
工 艺参 数
, ,

抛 光 工 具 旋 转主 轴倾斜 当然

抛 光次数

.

为确 定最佳抛光

需要进 一 步 的试验 研 究和理 论分析 来获
.

取 更多

,

更全 的优 化 信息

结论
旋转 型膨 胀 气囊抛光工 具 与 工 件表 面 大面
平面抛光前后 的比较

积 柔 性接触

,

其柔 性程度 可 通 过 气 压 在 线调控

.


.

光 工 具 与 工 件 的大 面 积 接触 能有效提 高抛 光 效率
和 热量 积聚
,

柔 性 接触 的缓振作 用能降低抛光过 程 中的接触撞击

增 强 加 工 过 程 的可 控性
,
.

,

从而 增加被

抛表 面 微小解 理 化 的发 生 概 率 匀化 和 微 量 化

实现 材料去 除 的均
型 工 业 机器 人 执行

安装 于 需 的位 置 和 姿态
定性
伪 曲面抛 光前 后 的 比较
, .

·

末 端 的抛光 工 具 能基 于 示教模式或 编 程控 制获取所

机器 人抛光 系统 可 靠的数字控制
.

技 术 和运 动 精度 能有 效提升 模具 自由 曲面抛 光的稳 效 率和 品质 磨粒场 的分布特 征和运动 状态
压 力分布和 线速 度分布特 征
,

,

柔 性接触 区 的
,

,

工 件表 面 的材料 去 除
, ,

特性 等 与 橡胶气囊 内部 压 力 抛光工 具下 陷深 度 抛光 工 具主 轴 转速
现 有研 究基 础 上
,

,

抛光 工 具进 给速 率
.

抛光 工 具
,

旋 转 主 轴 倾斜 角度 等影 响 因 素相 关
一 步选择 和 确 定各 影响 因 素
,

因此

如 何在
,

结合理 论与试验 工 作的深 入
.


,

以获得 最佳抛光 工 艺
,

参 数是气 囊抛光技术研 究工 作 的重 点和难 点 当然

优化抛 光 工 具 的设计
适 的抛光磨 料
抛光后 表 面 质
,

,

减少抛光布 的磨损
,

选择合

规 划有效的抛光路 径等研 究工 作 的

深入开展
积聚
,

,

有 助 于 进 一 步提高控制 精度
.

降低 热量



表面 质量 的 比较
,

提 升 抛 光 品质

通过 正 交试验和 理 论分析

得 出如 下 定 性 结
,


,


,





爪 『几



在其 他抛 光 影 响 因 素参数值 一 定 的情 况 下
,
.







胶气 囊 内部 压 力取 为
工 具 下 陷深 度 取 为

抛 光 工 具 旋转 主
,

轴 相 对 工 件接 触 中心 法 线 方 向夹角 取 为 时
,

抛光
加的
,








·

能 获 取 比较高 品 质
,

的表 面

.

,
, ,

在其他 影 响 因 数 参 数 一 定 的情 况 下
, ,

随着
,

认叭
,

呵 团汀

,

'

巧"

抛 光工 具 主 轴 转速 和 抛光 循环 次 数 的增 加
.

表面 质



,


头抖

量 更 好 相 反地 随着 磨 料 粒 度 和 进 给 速 率 的 增加

. 别对时 .
,


,



,

表面 质量下 降
进 行 分析
压力
,

.

基 于 正 交 试验 结果
,

,

对 各影 响 因 素 的影 响水 平

得 出 如 下 最 优 参数 组 合

橡胶 气 囊 内部
,
,

毛戈


,

抛光 工 具 主 轴 转 速

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机 械 工 』

叮 奴
,




学 报



卷第 期

,

,

,





则血






,
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,

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·


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,
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,

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,

. .



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,


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,





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·

,

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,


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,

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,












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,
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,



·






州 由过

腼卿

侧笋

刀侧 刀吞 刀 口





刀别 刀
无即

刀剔 刀





'

,

翻"

作者简介

计 时鸣



,

年出生
,

,

博士

,

教授

,

博士 研究生 导 师

,

人 月 六

妙 了云血

如'
, 声

浙 江 工 业 大学机电工 程学 院副 院长 机械制造及 自动化省部共建教育部 重点实验室副主任 主要研 究方向为机 电控制及 自动化 精密 与超精密 加工 和 机器 视觉
. ,






发表论 文
,

余篇 获 国家科技进 步二 等奖 项 教
,

,

育部科技进 步一 等奖 项 浙 江 省科技进步一 等奖 二 等奖各 项

,



恤曲



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