黎　橋　朱援祥　周立武　周　兵

(①武漢大學(xué)動力與機(jī)械學(xué)院，湖北 武漢 430072；②中國三峽集團(tuán)建設(shè)管理公司工程檢測中心，湖北 宜昌 443133)

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細(xì)絲微細(xì)磨削設(shè)備的研制

黎橋①朱援祥①周立武①周兵②

(①武漢大學(xué)動力與機(jī)械學(xué)院，湖北 武漢 430072；②中國三峽集團(tuán)建設(shè)管理公司工程檢測中心，湖北 宜昌 443133)

針對現(xiàn)有細(xì)絲微加工設(shè)備成本高昂、實(shí)用性差以及加工后表面性能惡化的特點(diǎn)，研制了一套微細(xì)絲磨削設(shè)備。該設(shè)備包括磨削機(jī)械系統(tǒng)、視覺測量系統(tǒng)和加工智能控制系統(tǒng)。機(jī)械系統(tǒng)解決了細(xì)絲夾持、細(xì)絲兩端同步旋轉(zhuǎn)等問題，設(shè)計(jì)了一個(gè)V型槽和張緊機(jī)構(gòu)解決細(xì)絲偏心旋轉(zhuǎn)；視覺測量系統(tǒng)對細(xì)絲尺寸進(jìn)行無接觸、高精度測量；加工智能控制系統(tǒng)由上位機(jī)和下位機(jī)組成，二者通過USB數(shù)據(jù)線通信，實(shí)現(xiàn)了坐標(biāo)軸多模式運(yùn)動控制、零位傳感器的信號檢測以及其他控制量的控制。磨削過程由視覺測量系統(tǒng)與加工智能控制系統(tǒng)聯(lián)合工作，結(jié)合工藝數(shù)據(jù)庫實(shí)現(xiàn)智能化磨削。采用撓度補(bǔ)償方法，可在直徑小于1 mm的細(xì)絲上加工出階梯絲和錐度絲。

微細(xì)磨削;磨削設(shè)備;視覺測量;細(xì)絲加工

近年來微細(xì)加工技術(shù)作為獲得微零件的手段得到重要發(fā)展[1]。在諸如航天航空、電子通訊、醫(yī)療器械等領(lǐng)域中，微零件的需求越來越大[2]。在細(xì)絲微加工領(lǐng)域，目前存在的微細(xì)電火花加工、微細(xì)電化學(xué)加工、激光加工等技術(shù)都會不同程度地影響材料表面組織性能，且現(xiàn)有設(shè)備成本高昂，尚處于實(shí)驗(yàn)階段，亟需一套可實(shí)際應(yīng)用的細(xì)絲微細(xì)加工設(shè)備和加工方法。

微細(xì)磨削在獲得高精度尺寸與表面質(zhì)量的微小零件方面比其他微細(xì)加工技術(shù)更具優(yōu)勢[3]。目前對磨削技術(shù)的研究也比較多，有許多前人經(jīng)驗(yàn)和成果可以借鑒。在此基礎(chǔ)上，提出用磨削技術(shù)對細(xì)絲進(jìn)行加工，設(shè)計(jì)用于細(xì)絲磨削加工的設(shè)備，并對當(dāng)中的關(guān)鍵性問題進(jìn)行研究。

1　整體架構(gòu)

微細(xì)磨削設(shè)備可分為：加工智能控制系統(tǒng)、視覺測量系統(tǒng)、機(jī)械系統(tǒng)和人機(jī)交互程序。加工智能控制系統(tǒng)由上位機(jī)、下位機(jī)組成，上位機(jī)將控制命令傳給下位機(jī)，下位機(jī)實(shí)現(xiàn)具體的控制功能，對磨具與細(xì)絲的運(yùn)動和其他控制量進(jìn)行控制，實(shí)現(xiàn)多種磨削工藝。

圖像采集設(shè)備以及相應(yīng)的圖像處理程序構(gòu)成了視覺測量系統(tǒng)，對細(xì)絲直徑進(jìn)行無接觸式測量，為磨削工藝的智能化制定提供基礎(chǔ)。人機(jī)交互程序?yàn)椴僮髡咛峁┮粋€(gè)易操作的圖形操作界面和一種操作設(shè)備的直觀方法。

此外，經(jīng)過大量實(shí)驗(yàn)建立了一個(gè)磨削工藝數(shù)據(jù)庫，為智能化磨削提供數(shù)據(jù)支撐。

2　機(jī)械系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

2.1磨削機(jī)械系統(tǒng)

圖1為磨削設(shè)備的實(shí)物圖，圖中標(biāo)明了零部件名稱。磨削機(jī)械系統(tǒng)包括工作臺、數(shù)控工作臺、V型槽、張緊機(jī)構(gòu)、夾持機(jī)構(gòu)、傳動裝置等部分組成。

工作臺固定在大理石基座上，臺面正中間安裝了一個(gè)升降臺，升降臺上裝有V型槽，臺面兩端分別安裝了一個(gè)固定基座、活動基座；工作臺下方安裝一根傳動軸；活動基座可以沿著工作臺上的導(dǎo)桿滑動，而固定基座固定在工作臺上，通過彈簧拉動活動基座可以將細(xì)絲張緊，從而有利于保持磨削過程中細(xì)絲轉(zhuǎn)動的穩(wěn)定性。固定于工作臺正中間的V型槽基座用于支撐細(xì)絲。

2.2細(xì)絲夾持裝置

細(xì)絲夾持軸內(nèi)部開有一個(gè)矩形截面的軸向通孔，通孔底面經(jīng)過夾持軸的幾何軸線，并在該面上加工了一個(gè)與幾何軸線重合的淺槽，用以放置細(xì)絲，夾持軸徑向加工了一個(gè)與內(nèi)孔相通的螺孔。細(xì)絲放入槽中后，用鋼塊壓住，再在徑向螺孔中上一個(gè)螺栓，擰緊螺栓可使鋼塊將細(xì)絲壓在槽內(nèi)，從而將細(xì)絲夾緊。

2.3同步旋轉(zhuǎn)裝置

細(xì)絲旋轉(zhuǎn)的動力來自與主軸(位于工作臺下方)相連的步進(jìn)電動機(jī)，電動機(jī)通過聯(lián)軸器帶動傳動主軸，通過同步輪和同步帶，主軸將動力傳遞給細(xì)絲夾持軸，使細(xì)絲與主軸保持同步轉(zhuǎn)動，從而保證細(xì)絲兩端的同步旋轉(zhuǎn)。

2.4細(xì)絲張緊裝置

活動基座可以沿導(dǎo)桿滑動，其上安裝了一個(gè)小零件用于鉤住張緊彈簧，彈簧另一端鉤在螺栓上，擰動此螺栓可調(diào)節(jié)彈簧長度，進(jìn)而調(diào)節(jié)細(xì)絲張緊力。將彈簧拉力調(diào)節(jié)在合適范圍內(nèi)，磨削后，細(xì)絲表面形成壓應(yīng)力層[5]。

2.5防偏心旋轉(zhuǎn)裝置

細(xì)絲防偏心機(jī)構(gòu)由V型槽和升降臺組成，V型槽的結(jié)構(gòu)如圖2a所示，調(diào)整V型槽下方的升降臺從而將細(xì)絲頂起，使細(xì)絲被支撐部分略高，當(dāng)細(xì)絲被拉緊時(shí)可壓在V型槽底部，與V型槽兩邊緊貼，避免細(xì)絲偏心旋轉(zhuǎn)。

2.6三軸數(shù)控工作臺

磨具由1個(gè)三軸數(shù)控工作臺帶動，實(shí)現(xiàn)3個(gè)方向的運(yùn)動。此工作臺由下位機(jī)控制，定義細(xì)絲軸線為X方向，磨具軸線為Y方向，垂直工作臺面為Z方向。

2.7細(xì)絲磨削裝置

數(shù)控工作臺、帶動磨具轉(zhuǎn)動的直流電動機(jī)以及帶動細(xì)絲轉(zhuǎn)動的步進(jìn)電動機(jī)均由下位機(jī)控制，此五軸系統(tǒng)提供細(xì)絲磨削所需的動力。

如圖2b所示，磨具首先從Z方向靠近細(xì)絲，直到與之接觸，然后繼續(xù)移動一個(gè)給定的撓度f，細(xì)絲支撐段在磨具的頂壓下彎曲變形，然后下位機(jī)控制磨具和細(xì)絲旋轉(zhuǎn)，同時(shí)磨具沿Y方向來回?cái)[動，對細(xì)絲進(jìn)行磨削。根據(jù)工藝的不同，磨具可沿X方向移動，并在移動過程實(shí)施撓度補(bǔ)償。經(jīng)過設(shè)定的時(shí)間后磨削結(jié)束，磨具和細(xì)絲停止運(yùn)動，之后磨具回到原始位置，磨削過程由加工控制系統(tǒng)控制。

3　加工智能控制系統(tǒng)

加工智能控制系統(tǒng)主要控制三坐標(biāo)數(shù)控工作臺、電動機(jī)以及其他傳感器，由上位機(jī)、下位機(jī)聯(lián)合工作實(shí)現(xiàn)。上位機(jī)發(fā)送運(yùn)動請求并給定參數(shù)，下位機(jī)輸出控制信號。二者之間以數(shù)據(jù)幀為單位進(jìn)行通訊，為保證較高的速度，每個(gè)數(shù)據(jù)幀固定為4個(gè)字節(jié)，且每個(gè)字節(jié)的意義是固定的。采用USB線作為數(shù)據(jù)線，CH340T作為內(nèi)部電平轉(zhuǎn)換芯片。

加工智能控制系統(tǒng)需要控制5個(gè)軸，即：X、Y、Z、R1(細(xì)絲轉(zhuǎn)動)、R2(磨具轉(zhuǎn)動)。為實(shí)現(xiàn)細(xì)絲的多種磨削工藝，加工智能控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了如下功能：

(1)磨具的定位必須準(zhǔn)確，因此在適當(dāng)位置安裝了光電傳感器，作為零位標(biāo)識，由下位機(jī)檢測坐標(biāo)軸零位，每次初始化時(shí)自動將坐標(biāo)軸調(diào)整至零點(diǎn)。

(2)磨削過程需要多坐標(biāo)軸聯(lián)動，以實(shí)現(xiàn)細(xì)絲階梯絲和錐度絲等磨削工藝。

(3)磨削過程細(xì)絲連續(xù)轉(zhuǎn)動，但視覺測量時(shí)需要讓細(xì)絲轉(zhuǎn)動給定的角度，為此實(shí)現(xiàn)了單坐標(biāo)軸的連續(xù)運(yùn)動模式和步進(jìn)運(yùn)動模式。

(4)磨削過程中磨具得沿著y軸來回運(yùn)動，以避免磨具表面磨損不均勻，為此實(shí)現(xiàn)了坐標(biāo)軸的擺動模式。

(5)為避免誤操作造成三軸數(shù)控工作臺觸碰到周圍零件，須任何時(shí)刻都可停止坐標(biāo)軸運(yùn)動，因此下位機(jī)須要實(shí)現(xiàn)坐標(biāo)軸急停功能。

(6)下位機(jī)必須記錄X、Y、Z、R1的位置，以便上位機(jī)查詢。

為實(shí)現(xiàn)上述功能，下位機(jī)必須為X、Y、Z、R1坐標(biāo)軸建立一個(gè)數(shù)據(jù)塊，以保存每個(gè)坐標(biāo)軸的狀態(tài)。數(shù)據(jù)塊包括：工作模式、運(yùn)動方向、速度、位移、位置等。工作模式包括步進(jìn)運(yùn)動模式、連續(xù)運(yùn)動模式、擺動模式和停止模式。工作在步進(jìn)運(yùn)動模式的坐標(biāo)軸，將會沿給定方向，以給定速度移動給定的位移，移動完成后更新坐標(biāo)軸位置；工作在連續(xù)運(yùn)動模式的坐標(biāo)軸，將會沿給定方向一直運(yùn)動，并隨時(shí)更新坐標(biāo)位置；工作在擺動模式的坐標(biāo)軸，將會沿正方向運(yùn)動給定位移后，折返到原來位置，之后再反向，擺動過程中隨時(shí)更新坐標(biāo)軸位置；坐標(biāo)軸不運(yùn)動時(shí)標(biāo)記為停止模式。

下位機(jī)采用基頻計(jì)時(shí)器的方式實(shí)現(xiàn)多軸聯(lián)動。所謂基頻計(jì)時(shí)器是指下位機(jī)內(nèi)部以一定頻率(稱為基頻)運(yùn)行著一個(gè)計(jì)時(shí)器，每次發(fā)生計(jì)時(shí)器中斷時(shí)，下位機(jī)根據(jù)每個(gè)坐標(biāo)軸的運(yùn)動速率和工作模式?jīng)Q定是否產(chǎn)生脈沖以驅(qū)動步進(jìn)電動機(jī)運(yùn)動一步。每個(gè)坐標(biāo)軸將自己的速度設(shè)置為1/2、1/4或1/8倍基頻，相應(yīng)地，計(jì)時(shí)器分別隔2、4、8個(gè)計(jì)時(shí)中斷產(chǎn)生1個(gè)驅(qū)動脈沖，以此實(shí)現(xiàn)坐標(biāo)軸速度控制；如果條件符合，下位機(jī)可一次為多個(gè)坐標(biāo)軸發(fā)射驅(qū)動脈沖，實(shí)現(xiàn)多軸聯(lián)動。

如圖3所示，上位機(jī)將運(yùn)動命令發(fā)送給下位機(jī)，下位機(jī)接收到命令后，立即對其應(yīng)答，上位機(jī)未接到應(yīng)答幀時(shí)會重復(fù)發(fā)送命令，直到收到應(yīng)答。命令數(shù)據(jù)幀中指定了坐標(biāo)軸、速度、運(yùn)動模式、方向和位移，下位機(jī)從命令數(shù)據(jù)幀中解析出運(yùn)動參數(shù)后啟動計(jì)時(shí)器，每次發(fā)生計(jì)時(shí)中斷時(shí)，下位機(jī)根據(jù)運(yùn)動參數(shù)發(fā)出控制信號以移動具體的坐標(biāo)軸。運(yùn)動完成后，返回一個(gè)數(shù)據(jù)幀告知上位機(jī)。

4　視覺測量與智能磨削

為提高磨削設(shè)備的智能程度，決定采用視覺測量作為測量手段。視覺測量有著精度高、無接觸式的優(yōu)點(diǎn)[6-8]。當(dāng)選用500萬像素的相機(jī)在45倍光學(xué)顯微鏡下，每個(gè)像素代表的實(shí)際尺寸可達(dá)到1.5 μm。視覺測量的關(guān)鍵是圖像邊緣檢測，為提高圖像邊緣檢測的精度，本設(shè)備為相機(jī)配置了背光光源。在背光光源下，細(xì)絲邊緣十分清晰，容易檢測出連續(xù)的單邊邊緣，提高了邊緣定位精度，從而提高了尺寸測量的精度和準(zhǔn)確度。

圖4為被磨削后的細(xì)絲弧線處邊緣檢測圖，由圖可知細(xì)絲弧線處的邊緣仍然連續(xù)且為單邊邊緣，圖中細(xì)絲最細(xì)處直徑為131個(gè)像素，而細(xì)絲原始直徑為240個(gè)像素，實(shí)際尺寸為0.36 mm，因此最細(xì)處實(shí)際直徑為0.197 mm。細(xì)絲邊緣檢測誤差不超過5個(gè)像素，故而視覺測量的尺寸誤差不超過7.5 μm。

對不同直徑的細(xì)絲加工，撓度和磨削時(shí)間不同。此外精磨和粗磨工藝在撓度、時(shí)間以及磨具運(yùn)動速度上均有差異。而工藝參數(shù)定制的基礎(chǔ)就是當(dāng)前細(xì)絲的尺寸信息，因此視覺測量是智能化磨削的基石。

圖5為智能磨削流程圖。當(dāng)操作人員安裝好細(xì)絲后，輸入加工參數(shù)并選擇磨削方式，視覺測量系統(tǒng)自動測算細(xì)絲尺寸信息，并根據(jù)尺寸信息查詢工藝數(shù)據(jù)庫，得到工藝參數(shù)。然后上位機(jī)向下位機(jī)發(fā)送運(yùn)動命令，實(shí)施粗磨。同時(shí)上位機(jī)開始啟動計(jì)時(shí)器，經(jīng)過指定時(shí)間后，上位機(jī)發(fā)送命令停止磨削，視覺測量系統(tǒng)重新測定磨削后細(xì)絲的尺寸，檢查是否符合預(yù)定要求，若不合要求則查詢工藝數(shù)據(jù)庫，確定精磨工藝參數(shù)實(shí)施精磨，若符合要求則終止磨削過程。磨削過程由視覺測量系統(tǒng)與運(yùn)動控制系統(tǒng)聯(lián)合工作，結(jié)合工藝數(shù)據(jù)庫實(shí)現(xiàn)智能化磨削。

此外，通過人機(jī)交互界面，操作者可以控制整臺設(shè)備。運(yùn)動控制界面提供了對坐標(biāo)軸以及其他部件的控制功能，方便開發(fā)者調(diào)試以及操作者進(jìn)行設(shè)備初始化。除了提供智能化磨削之外，操作界面中還提供工藝參數(shù)設(shè)置界面，用于手動設(shè)置工藝參數(shù)，以便進(jìn)行工藝研究實(shí)驗(yàn)。通過大量實(shí)驗(yàn)，初步建立了直徑0.30～0.60 mm的304不銹鋼細(xì)絲、直徑0.28 ～0.54 mm的NiTi 細(xì)絲磨削工藝數(shù)據(jù)庫，以及用于像素坐標(biāo)與世界坐標(biāo)轉(zhuǎn)換的模型。圖像處理界面自動測量細(xì)絲尺寸，并實(shí)時(shí)顯示鼠標(biāo)處的像素單位直徑。

5　微細(xì)磨削實(shí)驗(yàn)

為研究在給定撓度下，細(xì)絲直徑隨磨削時(shí)間變化的規(guī)律，進(jìn)行了定點(diǎn)磨削實(shí)驗(yàn)，磨削過程磨具只沿自身軸線(即Y軸)來回運(yùn)動，X方向不運(yùn)動。實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了3組，撓度分別為50 μm、100 μm、150 μm，細(xì)絲材料為NiTi，原始直徑0.36 mm，細(xì)絲轉(zhuǎn)速60 r/min，磨具轉(zhuǎn)速7 000 r/min，磨具擺動速度2.5 mm/s，采用最細(xì)處直徑表征細(xì)絲磨削后的直徑，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖6所示。由圖可知，磨削過程前20 s細(xì)絲直徑隨時(shí)間基本呈線性變化，隨著磨削的進(jìn)行，細(xì)絲直徑的減小越趨緩慢；撓度越大，材料去除率越大，細(xì)絲直徑減小越快，這是由于撓度越大，細(xì)絲與磨具之間的壓力越大，微區(qū)參加磨削的磨粒數(shù)增加，故而直徑減小率越高。

與定點(diǎn)磨削不同，移動磨削中磨具須沿X軸移動，但撓度相同而X軸位置不同時(shí)，磨具與細(xì)絲之間的壓力不同，從而材料去除率不一樣。撓度相同時(shí)，位于支撐中部的壓力最小[9]。為獲得均勻的直徑，需要在不同位置進(jìn)行撓度補(bǔ)償，即適當(dāng)增大細(xì)絲支撐中部撓度或減小兩端撓度。如圖7所示，采用不同的補(bǔ)償方案，可以加工出階梯絲和錐度絲，且錐度可控。

6　結(jié)語

(1)設(shè)計(jì)了一套細(xì)絲微細(xì)磨削設(shè)備，該設(shè)備由機(jī)械系統(tǒng)、加工智能控制系統(tǒng)、視覺測量系統(tǒng)等組成。

(2)機(jī)械系統(tǒng)解決了磨削過程的幾個(gè)問題：細(xì)絲夾持、細(xì)絲兩端同步旋轉(zhuǎn)、細(xì)絲張緊、細(xì)絲無偏心旋轉(zhuǎn)。

(3)加工智能控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了坐標(biāo)軸的多模式運(yùn)動控制，以實(shí)施多種工藝的細(xì)絲磨削。

(4)視覺測量系統(tǒng)自動、高精度測量細(xì)絲尺寸，與加工智能控制系統(tǒng)聯(lián)合工作，結(jié)合工藝數(shù)據(jù)庫實(shí)現(xiàn)智能化磨削。

(5)對定點(diǎn)磨削和移動磨削進(jìn)行了研究。定點(diǎn)磨削實(shí)驗(yàn)表明，磨削過程前20 s細(xì)絲直徑隨時(shí)間呈線性減小，直徑變化率隨著撓度增加而增加；移動磨削實(shí)驗(yàn)表明，為獲得均勻直徑的細(xì)絲，磨削過程需要進(jìn)行撓度補(bǔ)償，調(diào)整補(bǔ)償方案，可加工出階梯絲和錐度絲。

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Development of a micro-grinding device for fine wire

LI Qiao①，ZHU Yuanxiang①，ZHOU Liwu①,ZHOU Bing②

(①School of Power and Mechanical Engineering, Wuhan University, Wuhan 430072, CHN；②Yangtze Three Gorges Technology & Economy Development CO.,Ltd.,443133)

In consideration of the high cost, low practicability and deteriorated surface performance of current machining devices for fine wire, an improved micro grinding device (MGD) was developed in this work. The MGD consisted of mechanical system, visual measurement system and machining control system. The function of wire clamping and synchronous rotating was realized in the mechanical system. A V-typed groove and assisted tightener was designed to alleviate eccentric rotation of the wire. The visual measurement system took the responsibility for the non-contact and high accuracy size measurement. The machining control system, consisting of host computer and slave computer which communicated with each other via USB interface, realized the controlling function of the multi-mode moving of axis, the signal detecting function of null pick-up and some other controlling functions. On the basis of process parameters database, the measure system and machining control system worked together to grind smartly. Taking deflection compensation, both stepped and cone wire whose diameter less than 1mm could be machined.

micro-grinding; grinding device; visual measurement; wire machining

TP391

A

10.19287/j.cnki.1005-2402.2016.08.024

黎橋，男，1992年生，在讀研究生，研究方向?yàn)椴牧霞庸すこ獭?/p>

(編輯高楊)(2016-01-03)

160835