弹性机构及计算机控制的金刚石表面研磨.pdf

2002 年 第十届 全国机床专业学术会议 2002 年 第十届 全国机床专业学术会议 1 弹性机构及计算机控制的金刚石表面研磨弹性机构及计算机控制的金刚石表面研磨 傅惠南 王晓红 姚强 广东工业大学机电学院 广州 510090 摘要摘要 本文通过采用计算机对步进电机运动的控制 从而带动磨盘在平面内作特定轨迹的研抛 设计 加力机构和金刚石固定机构使金刚石与磨盘间具有适当的弹性接触 使机构适应高精度平面的研抛 实验考察金刚石磨损过程 并通过显微镜观测对该计算机控制金刚石高精度表面研抛方法进行研究 关键词关键词 计算机控制 步进电机 金刚石 研磨 中图分类号中图分类号 TG580 TH161 具有一定精度要求的机械零件 常常以磨削作为最终精加工手段 而对于要求更高的表面 通常需 要采用研抛方法 即通过磨削达到零件要求的尺寸精度 形位精度以及相应表面粗糙度和表面加工变质 层要求 再通过研磨进一步提高零件的表面精度和降低表面粗糙度值 对于这一类既要求有很高尺寸精 度 形位精度 又要求有高表面质量的零件 通常需要通过高精度机床设备 严格的工艺和加工条件制 作 因此也就相对地加工难度大 产品附加值高 例如一把良好刃磨的金刚石刀具 制作就十分困难 以至于在我国还需要通过进口 解决这类高精度产品需求 高精度金刚石表面的获得 通常也是采用研抛方法 例如金刚石钻戒表面最后的加工工序通常采用 研磨 方法是将加工后或选择后的原石粘接在料杆上 再将料杆夹紧在机械手中 通过手持机械使原石 与高速回转并涂有金刚石研磨剂的铸铁盘形成研磨 这种方法很难控制研磨过程 从而不能控制研磨精 度 本文提出一种采用弹性机构 通过计算机控制来获得高精度金刚石表面的研抛方法 1 高精度金刚石研抛机构1 高精度金刚石研抛机构 研抛过程经常涉及到研抛机械运动精度以及运动轨迹问题 在生产中 通常通过设计精密的机床以 及设计机床的运动轨迹来保证 任意轨迹或轨迹不重复以及轨迹复杂的研抛运动 若由机床或机构直接 实现 会使得机床设计成为一个非常复杂的课题 为克服此类问题 本研究中提出采取计算机轨迹控制 思路 进行初步的实验研究 图 1 是 计算机研抛轨迹控制的金刚石表面研 磨机构原理图 水平面 x y 方向上分 别装有两个独立的步进电机 通过步 进电机分别驱动 x y 方向上的丝杠 使研磨工作台能够在水平面上根据需 要产生任意的运动 需要的运动轨迹 可以通过计算机产生或设计 然后分 别控制 x y 方向上的电机实现 被研 磨的金刚石颗粒固定在垂直于研磨台 图 1 金刚石表面研抛机构原理图 基金项目 国家教育部留学回国人员科研启动基金 00 367 广东省自然科学基金 010033 2002 年 第十届 全国机床专业学术会议 2002 年 第十届 全国机床专业学术会议 2 面的杆上 因此研磨台的平面运动相对于金刚石表面就形成了相对研磨运动 这种方式 由于被加工的 金刚石固定 其被加工表面相对运动磨粒保持位置不变 容易保 证加工表面的平面精度要求 图 1 中 为在高精度研磨中保证在垂直于研磨盘方向上有适 当的加工载荷并且载荷能够调节 适应 本研究中设计采用了载 荷可自动调节的弹性机构 如图 2 所示 利用刚性良好的弹性薄 片将固定金刚石的杠件与研磨机构本体连接 固定金刚石颗粒的 杆上方设置有施加载荷的小装置 载荷大小可根据需要确定 在 本探索实验研究中 为使机构简化采用添加砝码的方法调节施加 载荷力的大小 这样 设计的机构在研磨过程中由于金刚石固定 杆与机架之间有弹性良好的刚片连接 在研磨平面方向上既保证机构有足够的刚性 又使研抛过程中金 刚石颗粒与磨具之间在垂直方向上具有弹性性质 从而根据研抛面接触状态使磨粒切削深度得以自动调 整 适应高精度表面研抛加工要求 在金刚石表面研磨实验中 根据加工过程需要在研磨台上分别固定砂纸 金刚石研磨盘进行金刚石 表面研磨以及采用皮革或绒布配以金刚石膏 氧化铝微粉等进行金刚石表面抛光 研抛速度和轨迹通过 计算机对步进电机的控制加以改变 2 计算机控制系统 2 计算机控制系统 步进电动机的动作与控制脉冲有关 根据控制脉冲信号来控制相绕组的开通与关断 从而使电机产 生步进运动 本文直接根据要求生成的研磨运动轨迹 由微型计算机输出相应指令 即产生控制步进电 动机动作的环形分配编码 控制步进电机 整个驱动控制系统原理如图 3 所示 2 1 硬件控制系统 2 1 硬件控制系统 整个系统由计算机通过 口向驱动器提供控制步进电动机动作的环形分配编码 再由驱动器控 制相绕组通断 完成步进电动机的动作 具体包括 1 计算机硬件和软件系统 在硬件上 采用个人计算 机 软件就是控制程序 在控制程序的控制下 计算机通过 口向驱动器提供步进电机的环形分配编码 也就是说 整个系统的所有控制信号都由计算机发出 因此 计算机成为整个控制系统的核心 2 接 口是计算机到驱动器的通道 本系统采用 PCL 730 卡 它提供 16 位并行隔离数字输入口和 16 位并行隔 离数字输出口 我们用其 6 位隔离数字输出口 把计算机发出的控制信号传送到驱动器 1 3 驱动器采 用 NCD 3G 型功率放大器 稳压电源 主要是对计算机发出的控制信号进行功率放大 4 电动机是受控对 象 也是整个控制系统的执行机构 本系统采用了两个 45BF005 型反应式三相步进电动机 安装在 NCD 3F 型铣床模型及上 带动 X Y 工作台移动 2 2 软件控制系统 2 2 软件控制系统 1 环形分配编码 环形分配编码是按照电机励磁状态转换表所规定的状态和顺序依次循环 对各相绕组进行通电或断 电控制 若采用三相六拍励磁方式 即按 A AB B BC C CA 的顺序循环轮流输出高电平 则电机正转 反之 按 A AC C BC B AB 的顺序循环轮流输出高电平 则电机反转 把 PCL 730 卡输出口的 D0 D2 分别接到 X 电机的 A B C 相输入端 D4 D6 分别接到 Y 电机的 A B C 相输入端 则可实现计算机对步 刚性好的弹簧片 图 2 弹性加载机构 计算机I O 接口卡驱动器 电源步进电动机X Y 工作台 图 3 步进电动机驱动控制系统 2002 年 第十届 全国机床专业学术会议 2002 年 第十届 全国机床专业学术会议 3 进电机的控制 2 研磨运动轨迹的控制 CPU 循环输出 01H 03H 02H 06H 04H 05H 即可控制 X 电机正转 按相反顺序输出时电机反转 同 理 CPU 循环输出 10H 30H 20H 60H 40H 50H 即可控制 Y 电机正转 按相反顺序输出时 Y 电机反转 3 循环次数的确定 金刚石相对研磨盘的研磨运动由步进电机转动经由丝杆传动产生 计算机输出每个脉冲产生运动距 离的脉冲当量为 6 2 m 拍 因此 循环次数 要求移动的长度 6 2x10 6 4 步进电机转速控制 在输出的两次脉冲之间插入一段延时程序 用延时的长短控制电机的转速 5 研磨运动轨迹的控制 根据逐点比较法插补原理 2 例如可用阶梯折线来逼近直线或曲线 从而产生需要的研磨运动轨迹 上述系统经过实际测试 对于所要求的研磨实验可满足要求 3 实验 3 实验 图 4 分别给出了单颗粒金刚石被加工前在体视显微镜下所观察到的表面形貌 图 a 和采用计算机 研磨控制方法研磨该金刚石后观察到的加工表面状况 图 b 实验采用 260 金刚石研磨盘 在上述研 磨装置下经约 1 小时的研磨 如图所示 获得了一个精度良好的金刚石平面 该实验作为比较 计算机 仅控制磨盘作往返直线运动 因此微观上 如图 5 所示 加工后的金刚石表面在加工方向上留有大量的 磨粒研磨轨迹 使加工表面缺少光泽 为降低金刚石加工表面的粗糙度值 实验进一步将研磨盘撤换为 抛光盘 分两步骤分别用粒度为 5 微米和粒度为 0 05 微米的 氧化铝研磨剂 进行抛光 并且抛光过程中 通过计算机程 序控制不断改变研抛的轨迹 图 6 是抛光约 7 小时后获得的 金刚石表面 其中图 b 是图 a 中的局部放大 它们在金相显 微镜下显示出光滑特点 说明抛光有效地降低了金刚石表面 的粗糙度水平 为了进一步探讨高精度金刚石表面研磨 本研究对获得 的该金刚石表面进行了原子力显微镜考察 图 7 是观察结果 之一 在相对平整的金刚石表面上有大量的 沿着一定方向 ab 300 m 300 m 图 a 研抛前金刚石表面 b 计算机控制研抛后产生的平整金刚石表面 图 5 金刚石加工表面微观形貌 2002 年 第十届 全国机床专业学术会议 2002 年 第十届 全国机床专业学术会议 4 排列的研磨微粒檫划痕迹 显示了金刚石表面经机械加工形成的材料去除过程 5 结论5 结论 采用计算机控制加工运行轨迹 被加工试样弹性支撑的研抛方法是获得良好精度金刚石表面和表面 粗糙度的方法 具有实际应用前景 参考文献参考文献 1 周明德 微型计算机系统原理及应用 清华大学出版社 北京 1999 2 陈维山等 机电系统计算机控制 哈尔滨工业大学出版社 哈尔滨 1999 作者简介 傅惠南 年龄 43 广东工业大学机电学院副教授 从事超精密加工 纳米加工与检测技术研究 发表相 关论文 30 余篇 A Fine Quality Diamond Surface Grind by Computer Control Fu Huinan Wang Xiaohong Yao Qiang Guangdong University of Technology Guangzhou 510090 abstractabstract In this paper a method that grinding and polishing movements are controlled by computer has been researched in order to obtain a high quality diamond surface Devices for force loading and for diamond holding are designed which make the friction contact of the surfaces between diamond and grinding plate elastic It is also observed by the experiment