劉海濤，李 野，王銀河，趙 隕，穆佳麗

(沈陽(yáng)儀表科學(xué)研究院有限公司，遼寧 沈陽(yáng) 110043)

在光學(xué)系統(tǒng)中，非球面零件起到非常大的作用，比如矯正像差，提高成像質(zhì)量和分辨力等，所以在光學(xué)系統(tǒng)中，經(jīng)常會(huì)使用非球面零件代替球面零件，這樣能夠達(dá)到簡(jiǎn)化儀器結(jié)構(gòu)，降低整個(gè)光學(xué)系統(tǒng)的尺寸和質(zhì)量，由此降低相應(yīng)成本，而且能夠提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性[1-4]。但是如何得到合格的光學(xué)非球面零件是重點(diǎn)和難點(diǎn)。使用工業(yè)機(jī)器人代替?zhèn)鹘y(tǒng)手工對(duì)非球面零件進(jìn)行拋光加工是現(xiàn)階段主要的研究方向，工業(yè)機(jī)器人能夠?qū)崿F(xiàn)無(wú)死角全自由度，而且穩(wěn)定性好，以及具有高效性和較大的工作范圍，在很多領(lǐng)域得到了廣泛使用[5-6]。

本文結(jié)合實(shí)際工作內(nèi)容，采用機(jī)器人為光學(xué)非球面零件凹面做柔性拋光，自主研制開(kāi)發(fā)了用于光學(xué)非球面零件凹面的機(jī)器人柔性拋光系統(tǒng)，并運(yùn)用這套系統(tǒng)對(duì)精密銑磨成型后的光學(xué)非球面鏡零件凹面進(jìn)行快速確定性拋光加工試驗(yàn)，使其能夠指導(dǎo)實(shí)際生產(chǎn)，為改進(jìn)生產(chǎn)方式打下良好的基礎(chǔ)。

1 機(jī)器人柔性拋光系統(tǒng)

機(jī)器人柔性拋光的基本思想是在機(jī)器人末端連接1個(gè)拋光盤(pán)，這個(gè)拋光盤(pán)要比光學(xué)工件的最大面形直徑小得多，拋光盤(pán)在工件表面上沿設(shè)計(jì)好的軌跡運(yùn)動(dòng)，拋光時(shí)，每點(diǎn)的停留時(shí)間、每點(diǎn)的拋光壓力以及拋光盤(pán)與工件每點(diǎn)的相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度等是非常主要的參數(shù)，通過(guò)控制這幾個(gè)參數(shù)，就能夠使工件上每點(diǎn)的去除量得到準(zhǔn)確的控制，從而使工件面形誤差收斂在可接受的范圍內(nèi)。實(shí)質(zhì)是，讓工業(yè)機(jī)器人能夠吸取光學(xué)技術(shù)人員的相關(guān)經(jīng)驗(yàn)，模擬用于光學(xué)加工，拋光盤(pán)可以按照工件面形運(yùn)動(dòng)，去除加工區(qū)域內(nèi)的多余材料，對(duì)相應(yīng)機(jī)器人操作者的經(jīng)驗(yàn)要求較低，可重復(fù)性好，而且可根據(jù)工件面形制定相應(yīng)的加工方案，這樣，采用機(jī)器人柔性拋光方式在一定程度上提高了加工效率和加工質(zhì)量。

機(jī)器人柔性拋光系統(tǒng)主要是由機(jī)器人、力傳感器、單軸機(jī)、拋光液自動(dòng)噴灑器、拋光盤(pán)、工件和鏡盤(pán)等組成(見(jiàn)圖1)。

圖1 機(jī)器人柔性拋光系統(tǒng)示意圖

2 理論建模

光學(xué)零件的表面拋光，首先要保證面形加工精度，在此前提下，要得到良好的表面粗糙度；因此，在理想狀態(tài)下，在拋光過(guò)程中，要同時(shí)控制好各種工藝參數(shù)。但在實(shí)際情況下，拋光零件上每一點(diǎn)的拋光壓力、相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度以及拋光角度等各種因素都是不同的，所以要想獲得良好的拋光效果，就要深入研究分析所采用的拋光方式、工具，以及每點(diǎn)的拋光去除量的不同[7-8]。

光學(xué)加工比機(jī)械加工更加復(fù)雜，因?yàn)樵诠鈱W(xué)工件的拋光加工過(guò)程中，在工件表面上，不但存在著機(jī)械切削和化學(xué)兩方面共同作用，而且還存在著分子流動(dòng)現(xiàn)象。光學(xué)拋光是一個(gè)比較復(fù)雜的過(guò)程，影響因素有很多，比如拋光時(shí)的壓力和轉(zhuǎn)速、運(yùn)動(dòng)方式、拋光盤(pán)的選取和制作、拋光粉的性質(zhì)和顆粒直徑，以及拋光液的pH值等，所以為了更好地研究拋光運(yùn)動(dòng)，需要做一定的假設(shè)，并建立相應(yīng)的數(shù)學(xué)模型。Preston假設(shè)就是一個(gè)著名的假設(shè)[9-11]。

經(jīng)過(guò)Preston假設(shè)的數(shù)值運(yùn)算，拋光過(guò)程在一個(gè)非常大的數(shù)值范圍內(nèi)可以用式1這樣的線性關(guān)系來(lái)描述。

(1)

式中，A為比例系數(shù)，由除了拋光速度和拋光壓力以外的影響因子決定；r為拋光時(shí)間；V為拋光表面一點(diǎn)(a,b)以及拋光點(diǎn)瞬時(shí)r的拋光速度，V=V(a,b,r)；F為拋光點(diǎn)(a,b)和瞬時(shí)r的拋光壓力函數(shù)值，F(xiàn)=F(a,b,r)。

在假設(shè)中，由于比例系數(shù)A的存在，拋光點(diǎn)的去除量、壓力和瞬時(shí)速度就建立起來(lái)了一個(gè)線性關(guān)系。根據(jù)拋光點(diǎn)與拋光盤(pán)之間的拋光壓力、相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度，以及拋光時(shí)間，就能算出此時(shí)段內(nèi)拋光表面的去除量ΔH，ΔH計(jì)算公式如下：

(2)

ΔH(a,b)=H0(a,b)-H(a,b)

(3)

式中，H0(a,b)是r=0時(shí)表面高度；H(a,b)是時(shí)間為r時(shí)表面高度。

綜上假設(shè)及式1～式3，建立如下的去除函數(shù)用來(lái)描述拋光過(guò)程中的去除量：

(4)

在柔性拋光研究領(lǐng)域現(xiàn)階段，其理論去除量的研究較為成熟。如果拋光過(guò)程中拋光點(diǎn)的壓力、拋光相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度，以及拋光時(shí)間已知，那么就能算出拋光點(diǎn)的去除量，因此，通過(guò)控制這幾個(gè)參數(shù)，就能使工件上每點(diǎn)的去除量得到準(zhǔn)確的控制，最終使工件面形誤差收斂在可接受的范圍內(nèi)。

上述提到的幾個(gè)拋光參數(shù)中，拋光時(shí)間的變化對(duì)去除量線性變化較大，因此，在保證拋光相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度和拋光壓力不變的前提下，可通過(guò)控制拋光盤(pán)在拋光點(diǎn)的停留時(shí)間，以此對(duì)拋光進(jìn)行系統(tǒng)控制，拋光試驗(yàn)可以更容易實(shí)現(xiàn)。

3 試驗(yàn)與分析

結(jié)合機(jī)器人柔性拋光的技術(shù)特點(diǎn)和運(yùn)動(dòng)特性，以及拋光工件的加工特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了一套用于光學(xué)非球面零件凹面的機(jī)器人柔性拋光系統(tǒng)，并運(yùn)用這套系統(tǒng)對(duì)口徑為400 mm的光學(xué)非球面鏡凹面進(jìn)行了拋光試驗(yàn)。工件圖如圖2所示，實(shí)際拋光加工如圖3所示。

圖2 工件圖

圖3 實(shí)際拋光加工圖

試驗(yàn)時(shí)，先將工件裝夾在單軸機(jī)的夾持機(jī)構(gòu)上，需要人工裝夾。機(jī)器人帶有力傳感器，可以根據(jù)面形上每點(diǎn)的不同進(jìn)行受力拋光，以保證拋光表面受力的均勻性，并且拋光液能夠定時(shí)自動(dòng)噴灑到鏡片加工面上，機(jī)器人和單軸機(jī)聯(lián)動(dòng)進(jìn)行拋光加工，經(jīng)過(guò)反復(fù)的拋光、檢測(cè)和修正等一系列動(dòng)作，直至完成拋光。工件完整的拋光加工流程如圖4所示。

圖4 機(jī)器人拋光工藝流程圖

拋光試驗(yàn)時(shí)，拋光壓力根據(jù)每次的拋光效果進(jìn)行調(diào)整，結(jié)合以往的經(jīng)驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試效果，機(jī)器人加在工件上的力為200～300 N。拋光加工時(shí)，拋光盤(pán)

與鏡片呈一定的角度變化，約為5°～35°。試驗(yàn)過(guò)程采用取點(diǎn)拋光的形式，每一個(gè)點(diǎn)逐一進(jìn)行壓力調(diào)試和拋光時(shí)間的選擇，再根據(jù)拋光的效果進(jìn)行修正，反復(fù)這一系列動(dòng)作，直到獲得較為滿意的結(jié)果，并生成機(jī)器人文件保存記錄。選取其中1組試驗(yàn)數(shù)據(jù)見(jiàn)表1，從底孔到最大口徑處選取15個(gè)點(diǎn)，一次走完所有點(diǎn)用時(shí)為5 min，整個(gè)拋光過(guò)程約為40 min。

表1 試驗(yàn)數(shù)據(jù)

拋光完成件檢驗(yàn)的主要項(xiàng)目包括表面粗糙度、麻點(diǎn)和擦痕。檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)見(jiàn)表2，檢驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表3。工件拋光后鍍膜的情況如圖5和圖6所示。

表2 檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)

表3 檢驗(yàn)結(jié)果

圖5 拋光后鍍膜鏡片整體圖

圖6 拋光后鍍膜鏡片局部視圖

通過(guò)表3和圖6可知，拋光效果還不是很理想，有的地方還沒(méi)有完全拋光干凈，主要原因是力沒(méi)達(dá)到或者是拋光時(shí)間不夠；有的是在兩拋光點(diǎn)的間隙位置出現(xiàn)較為空白的區(qū)域，主要原因是拋光點(diǎn)取的不合理或拋光盤(pán)制作的不太合理。經(jīng)過(guò)多次試驗(yàn)驗(yàn)證，用機(jī)器人可以為非球面鏡工件做柔性拋光，拋光盤(pán)與鏡片內(nèi)表面接觸較好，并且運(yùn)行較為穩(wěn)定，但是，拋光的質(zhì)量需要靠提升相關(guān)的工藝來(lái)保證，后續(xù)還有很多工作要進(jìn)一步完善。

4 結(jié)語(yǔ)

本文使用機(jī)器人為光學(xué)非球面零件凹面做柔性拋光，研制了一套用于光學(xué)非球面零件凹面拋光加工的機(jī)器人柔性拋光系統(tǒng)，并且利用這套拋光系統(tǒng)對(duì)實(shí)際工件進(jìn)行了拋光加工試驗(yàn)，得到了較好的試驗(yàn)結(jié)果，驗(yàn)證了使用機(jī)器人能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)光學(xué)非球面零件凹面進(jìn)行拋光加工，但是該試驗(yàn)也存在一些不足之處，需要在后續(xù)的優(yōu)化設(shè)計(jì)中進(jìn)一步改進(jìn)。

對(duì)下一步工作的設(shè)想：首先，優(yōu)化裝夾機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)，改進(jìn)裝夾方式，用自動(dòng)裝夾方式替代人工裝夾，這樣才能使得每次加工的裝夾具有一致性，更加符合機(jī)器人自動(dòng)化生產(chǎn)方式；其次，研究加工工藝，如拋光方式、拋光材料和拋光力的大小等；最后，要深入研究與機(jī)器人末端相連的拋光工具的結(jié)構(gòu)，因?yàn)閷?duì)于機(jī)器人柔性拋光來(lái)說(shuō)，機(jī)器人終端控制的拋光工具是獲得良好拋光效果的核心部件，決定著拋光效率和拋光質(zhì)量。因此，后續(xù)還有非常多的工作要做，只有做好這些工作，機(jī)器人才能更好地為光學(xué)非球面零件凹面做柔性拋光，才能做出更理想的產(chǎn)品，才能擁有更加廣闊的市場(chǎng)。

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