CN104669072A - 一种可组态重构的磁流变抛光装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种可组态重构的磁流变抛光装置。本发明采用模块组态重构系统的设计方法设计本装置，通过大小柔性磨头与循环单元Ⅰ和循环单元Ⅱ的不同组态和系统重构，形成“大柔性磨头+循环单元Ⅰ”、“大柔性磨头+循环单元Ⅱ”、“小柔性磨头+循环单元Ⅰ”、“小柔性磨头+循环单元Ⅱ”四种具有不同加工能力、可快速组合和切换的抛光工具轴，在同一台磁流变抛光装置中实现对零件材质、加工尺度、加工精度和加工效率的广泛适应性，解决了目前单台磁流变抛光装置加工能力和加工范围受局限的问题；同时本装置通过组态重构实现设备功能单元的复用，装置可靠性高。

Description

一种可组态重构的磁流变抛光装置

技术领域

本发明属于光学元件加工领域，具体涉及一种可对磁流变抛光系统各功能单元进行组态重构的抛光装置，在一台磁流变抛光机床上实现不同规格柔性磨头与传输不同类型抛光液介质快速组合可形成四种不同加工能力的抛光工具轴，适于加工多尺寸规格、多种材质光学元件的高精度磁流变抛光。

背景技术

磁流变抛光技术被誉为光学制造界的革命性技术，它利用磁流变抛光液的可控流变性实现对工件材料的精确微量去除，能高效率获得数十纳米以下高精度型面、纳米级表面质量且近无亚表面缺陷，很好地满足航天、航空和国防等领域的加工要求，有着广阔的应用前景。

目前的磁流变抛光装置，磁流变抛光液经由循环系统及管路、抛光轮带入抛光区域，在区域梯度磁场作用下，成为具有粘塑性的Bingham介质，形成具有一定形状的柔性凸起抛光缎带，该缎带流经工件在工件表面产生的剪切力，实现对工件表面材料的去除。

根据相关文献和专利可知，目前国内开发的磁流变抛光装置，主要配置单柔性磨头。发明名称为“用于大口径非球面光学零件的磁流变抛光装置”的中国专利（公布号CN101318294A）文献，公开了配置一个较大规格柔性磨头的磁流变抛光装置，生成的去除函数形态较大，无法满足CPP的加工要求；发明名称为“用于高陡度光学零件的磁流变抛光装置”的中国专利（公布号：CN101323098A）文献和发明名称为“一种小口径非球面永磁式磁流变抛光机床”的中国专利（公布号：CN103072047A）文献，分别公开了仅配置一个小规格柔性磨头的磁流变抛光装置，但不具备大口径光学元件的加工能力。发明名称为“双柔性磨头磁流变抛光装置”的中国专利（公布号：CN102632435A）文献，公开了一种配置大小柔性磨头、可传输不同类型磁流变抛光液介质的大小流量循环系统的磁流变抛光装置，同时满足大口径平面类和位相类元件的加工，但该装置的磨头系统与循环系统是一一对应、固定组合，无法实现大小柔性磨头与传输不同类型磁流变抛光介质的循环系统之间的灵活组合使用，限制了该磁流变抛光装置的加工能力和加工效率。

发明内容

本发明提供一种大小柔性磨头和传输不同类型磁流变抛光液介质的循环单元间进行组态重构的磁流变抛光装置，通过大小柔性磨头分别与循环单元Ⅰ、循环单元Ⅱ间的不同组态和系统重构，可形成“大柔性磨头+循环单元Ⅰ”、“大柔性磨头+循环单元Ⅱ”、“小柔性磨头+循环单元Ⅰ”、“小柔性磨头+循环单元Ⅱ”四种具有不同加工能力的工具轴，并且这四种工具轴在同一磁流变抛光装置中可快速组合和切换，从而实现磁流变抛光装置对被加工零件材质、加工尺度、加工精度和加工效率的广泛适应性。

本发明的目的，通过如下技术方案来实现：

本发明所述的一种可组态重构的磁流变抛光装置，包括大小两套柔性磨头单元、传输不同抛光液介质的两套循环单元和PLC控制单元。

柔性磨头单元包括抛光轮、磁场、喷嘴、传感检测器件及流体传输管路等，柔性磨头单元将经由循环单元的磁流变抛光液由抛光轮带入抛光区域，形成具有抛光能力的柔性凸起抛光缎带，实现对工件表面材料的去除，并将抛光区域的抛光缎带由抛光轮带回回收器。

循环单元包括离心泵、搅拌器、磁流阀、流量计、管路流体状态在线检测装置、回收器、回收泵、载液罐、微量泵、抛光液储存罐及流体传输管路和回收管路等。抛光液在抛光液储存罐中经搅拌器匀化，并通过离心泵泵入传输管路、并通过离心泵的转速调节快速调节管路流量；然后抛光液通过磁流阀调控其流量、流量计将管路实际流量值反馈回PLC控制器，通过闭环回路实现对流量的精确调控；然后通过喷嘴传输至柔性磨头单元；管路流体状态在线检测装置对管路流体成分的检测值反馈回PLC控制器单元，并通过微量泵补液调控抛光液成分维持稳定；然后抛光液经由回收器、回收泵和回收管路回到抛光液储存罐中，从而实现对抛光液介质的传输与回收、流量和压力调节、抛光液介质的匀化与更新等。在循环管路和回收管路中，通过三通电磁阀实现管路输入流体的选择和管路输出流体的控制。

PLC控制单元主要由过程控制器、磁流阀恒流源、磁场恒流源、离心泵驱动器、回收泵驱动器、抛光轮驱动器、传感仪表等，实现对磁流变抛光系统参数的配置、各功能单元的监测与控制、系统的磁流变抛光工艺过程控制和逻辑控制。

本发明的特点是：构成磁流变抛光装置的各功能单元模块化，可灵活组态重构，一方面可以形成具有四种不同加工能力的工具轴，满足被加工零件材质、加工尺度、加工精度的不同应用需求，扩展了磁流变装置的加工能力和加工效率；另一方面，提高了设备功能单元的重用性，当某一功能部件存在故障时候，通过重新组态重构，确保抛光装置有一套磁流变抛光系统能够正常工作，实现在不影响装置工作的情况下，更换功能部件。

附图说明

图1是可组态重构的磁流变抛光装置结构示意图；

图2是本发明的磁流变抛光控制流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的作详细说明。

图1中，1.抛光液储存罐，2. 离心泵Ⅰ，3. 一进二出电磁阀Ⅰ1，4.二进一出电磁阀Ⅰ2，5. 磁流阀Ⅰ，6. 一进二出电磁阀Ⅰ3，7.二进一出电磁阀Ⅰ4，8. 流量计，9.管路流体状态在线检测装置Ⅰ，10. 一进二出电磁阀Ⅰ5，11.二进一出电磁阀Ⅰ6，12. 喷嘴Ⅰ，13. 抛光轮Ⅰ和磁场，14. PLC控制器，15. 回收器Ⅰ，16. 一进二出电磁阀Ⅰ7，17.二进一出电磁阀Ⅰ8，18. 回收泵Ⅰ，19. 一进二出电磁阀Ⅰ9，20.二进一出电磁阀Ⅰ10，21. 载液罐Ⅰ，22. 微量泵Ⅰ，23. 搅拌器Ⅰ，24. 二进一出电磁阀Ⅱ6，25. 一进二出电磁阀Ⅱ5，26. 管路流体状态在线检测装置Ⅱ，27. 流量计Ⅱ，28. 二进一出电磁阀Ⅱ4，29. 一进二出电磁阀Ⅱ3， 30. 磁流阀Ⅱ，31. 二进一出电磁阀Ⅱ2，32. 一进二出电磁阀Ⅱ1，33. 离心泵Ⅱ， 34. 喷嘴Ⅱ，35. 抛光轮Ⅱ件含磁场，36. 回收器Ⅱ，37. 一进二出电磁阀Ⅱ7，38. 二进一出电磁阀Ⅱ8，39. 回收泵Ⅱ，40. 一进二出电磁阀Ⅱ9，41. 二进一出电磁阀Ⅱ10，42. 载液罐Ⅱ，43. 搅拌器Ⅱ，44. 微量泵Ⅱ，45.磁场Ⅰ，46.磁场Ⅱ。

本发明的可组态重构的磁流变抛光装置，其系统组态方法如下。

在磁流变抛光装置组态时，以抛光轮为核心部件和基准部件，即： 大磨头磁流变抛光系统以抛光轮Ⅰ件13、小磨头磁流变抛光系统以抛光轮Ⅱ件35为基准部件，电磁激励的磁场Ⅰ件45内置于抛光轮Ⅰ件13，永磁激励的磁场Ⅱ件46内置于抛光轮Ⅱ件35；按照表一所示，大磨头磁流变抛光系统和小磨头磁流变抛光系统对离心泵、磁流阀、流量计、回收泵进行选择，控制系统程序将各单元的I/O物理地址映射至对应的大磨头磁流变抛光系统或小磨头磁流变抛光系统的逻辑地址，以此建立逻辑中的器件与实际物理器件间的关联与对应；下位软件通过控制电磁阀Ⅰ1件3、电磁阀Ⅰ2件4、电磁阀Ⅰ3件6、电磁阀Ⅰ4件7、电磁阀Ⅰ5件10、电磁阀Ⅰ6件11、电磁阀Ⅰ7件16、电磁阀Ⅰ8件17、电磁阀Ⅰ9件19、电磁阀Ⅰ10件20、电磁阀Ⅱ1件32、电磁阀Ⅱ2件31、电磁阀Ⅱ3件29、电磁阀Ⅱ4件28、电磁阀Ⅱ5件25、电磁阀Ⅱ6件24、电磁阀Ⅱ7件37、电磁阀Ⅱ8件38、电磁阀Ⅱ9件40、电磁阀Ⅱ10件41的通电与否逻辑，配置循环管路的正确连接，并通过控制电磁阀Ⅰ9件19、电磁阀Ⅰ10件20、电磁阀Ⅱ9件40、电磁阀Ⅱ10件41的逻辑，实现磁流变抛光液回收对应其传输均为同一抛光液储存罐，从而实现组态配置生效。

表一

本发明的可组态重构的磁流变抛光装置，其运行过程如图2。

步骤1：磁流变抛光系统开始运行时；步骤2：判断是否进行“系统组态重构”，若为否，则默认以上次组态构建的系统运行；若为是，则进行步骤3：验证管理员权限；步骤4：只有当权限验证通过，才能对磁流变抛光系统进行组态重构；步骤5：以抛光轮Ⅰ/抛光轮Ⅱ分别作为大磨头/小磨头的核心部件和基准部件，分配其它单元所属大磨头组件或小磨头组件；步骤6：底层程序以此设置电磁阀，自动将各单元的I/O物理地址映射至对应的大磨头组件或小磨头组件的逻辑地址，以此建立逻辑中的器件与实际物理器件间的关联与对应；步骤7：地址映射配置完成后，自动进行测试管路与单元器件；步骤8：自动调用测试程序，以校核逻辑器件与物理器件是否正确对应、程序逻辑是否正常运行；步骤9：若测试不正常，当前组态重构失败；步骤10：系统以组态重构前的配置运行；具有系统管理权限的专业人员对系统进行检测与维修；步骤11：若测试正常，保存并固化组态参数。

小磨头磁流变抛光系统的运行过程如下。

在完成步骤1 ~步骤11后，进入步骤12：系统组态重构完成后，判断是否开始抛光；步骤13：当选择开始抛光时，选择磨头及工作模式；步骤14：若选择小磨头运行，首先初始化系统单元；步骤15：对大小磨头的控制位和标志位进行相应的置位、复位，各过程参量设定值初始化等；步骤16：以初始设定参量值启动抛光轮Ⅱ；步骤17：若抛光轮Ⅱ未正常启动，包括未达设定转速或未启动，则报警提示处理；步骤18：当检测到抛光轮Ⅱ正常启动后，延时以初始设定参量值启动回收泵Ⅱ；步骤19：检测回收泵Ⅱ是否正常启动；步骤20：当检测到回收泵Ⅱ正常启动后，以初始设定参量值启动磁流阀Ⅱ；步骤21：检测磁流阀Ⅱ工作状态；步骤22：当检测到磁流阀Ⅱ正常启动后，以初始设定参量值启动传送泵Ⅱ；步骤23：检测传送泵Ⅱ工作状态；步骤24：当检测到传送泵Ⅱ正常启动后，开始根据流量和压力的设定值，对流量和压力进行自动调节，并允许系统可以进行抛光作业；步骤25：在系统运行过程中，对各器件及单元状态进行实时监控，判断小磨头运行是否正常；若非正常时，跳转至步骤31：根据故障级别，作相应处理，若非严重故障，仅信息提示操作者；若为较严重故障，如流变液温度超预警值上线、管路破损等，则按照停止传送泵Ⅱ、磁流阀Ⅱ、回收泵Ⅱ、抛光轮Ⅱ的先后顺序逻辑停止小磨头运行，同时信息提示报警及处理方法；步骤26：判断是否停止小磨头；步骤27：当需要停止小磨头运行时，按照停止传送泵Ⅱ、磁流阀Ⅱ、回收泵Ⅱ、抛光轮Ⅱ的先后顺序逻辑停止小磨头运行；步骤28：若停止过程发生异常，跳转至步骤30：系统进行复位处理，并提示报警信息及处理方法；步骤29：小磨头停止运行。

大磨头磁流变抛光系统的运行过程如下。

在完成步骤1 ~步骤11、系统组态重构完成后，进入步骤12：判断是否开始抛光；步骤13：当选择开始抛光时，选择磨头及工作模式；步骤14：若选择小磨头运行为否，跳转至步骤32：判断大磨头是否运行；步骤33：若选择大磨头运行，首先初始化系统单元，包括对大小磨头的控制位和标志位进行相应的置位、复位，各过程参量设定值初始化等；步骤34：以初始设定参量值启动磁场Ⅰ；步骤35：检测大磁场是否正常启动；步骤36：当检测到磁场Ⅰ正常启动后，以初始设定参量值启动抛光轮Ⅰ；步骤37：检测抛光轮Ⅰ是否正常启动；步骤38：当检测到抛光轮Ⅰ正常启动后，以初始设定参量值启动回收泵Ⅰ；步骤39：检测回收泵Ⅰ是否正常启动；步骤40：当检测到回收泵Ⅰ正常启动后，以初始设定参量值启动磁流阀Ⅰ；步骤41：检测磁流阀Ⅰ是否正常启动；步骤42：当检测到磁流阀Ⅰ正常启动后，以初始设定参量值启动传送泵Ⅰ；步骤43：检测传送泵Ⅰ是否正常启动；步骤44：当检测到传送泵Ⅰ正常启动后，开始根据流量和压力的设定值，对流量和压力进行自动调节，并允许系统可以进行抛光作业；若上述各单元启动过程中未正常启动，包括未达设定值或未启动，则提示报警信息及处理方法；步骤45：在系统运行过程中，对各器件及单元状态进行实时监控，判断大磨头运行是否正常；若非正常时，根据故障级别，作相应处理：若非严重故障，仅信息提示操作者；若为较严重故障，如流变液温度超预警值上线、管路破损等，则按照停止传送泵Ⅰ、磁流阀Ⅰ、回收泵Ⅰ、抛光轮Ⅰ的先后顺序逻辑停止大磨头运行，同时信息提示报警及处理方法；当需要停止大磨头运行时，按照停止传送泵Ⅰ、磁流阀Ⅰ、回收泵Ⅰ、抛光轮Ⅰ的先后顺序逻辑停止大磨头运行；若停止过程发生异常，系统进行复位处理，并提示报警信息及处理方法。步骤46：判断是否停止大磨头；步骤47：当需要停止大磨头运行时，按照停止传送泵Ⅰ、磁流阀Ⅰ、回收泵Ⅰ、抛光轮Ⅰ的先后顺序逻辑停止大磨头运行；步骤48：若停止过程发生异常，跳转至步骤51：系统进行复位处理，并提示报警信息及处理方法；步骤49：大磨头停止运行。

本发明是一种能通过组态大小柔性磨头和双循环系统重构、实现具有四种不同加工能力工具轴的磁流变抛光装置，同时能提高设备功能单元的重用性。以下通过具体的实施例对本发明的可组态重构的磁流变抛光装置做进一步描述。

实施例1：将大柔性磨头与循环单元Ⅰ、小柔性磨头与循环单元Ⅱ组态形成两套抛光工具轴

首选，获得系统组态重构的操作权限，并通过验证。

然后，选择将构成循环单元Ⅰ的功能单元离心泵Ⅰ件2、磁流阀Ⅰ件5、流量计Ⅰ件8、回收泵Ⅰ件18与抛光轮Ⅰ件13组合构建抛光工具轴，相应地，构成循环单元Ⅱ的功能单元离心泵Ⅱ件33,磁流阀Ⅱ件30,流量计Ⅱ件27,回收泵Ⅱ件39与抛光轮Ⅱ件35组合构建抛光工具轴；系统程序自动将各功能单元的I/O物理地址映射至对应的大磨头组件或小磨头组件的逻辑地址，建立逻辑中的器件与实际物理器件间的关联与对应；系统程序通过设置电磁阀Ⅰ1～Ⅰ10、Ⅱ1～Ⅱ10均通电的逻辑，正确组态管路连接；组态完成后，自动进行校验管路连接和单元器件工作是否正常，校验完成后保存并固化组态参数，组态重构完成，实现大柔性磨头与循环单元Ⅰ、小柔性磨头与循环单元Ⅱ组态形成两套抛光工具轴。

实例2：将循环单元Ⅰ借用循环单元Ⅱ中的回收泵，与大柔性磨头组态形成抛光工具轴

首选，获得系统组态重构的操作权限，并通过验证。

然后，选择与抛光轮Ⅰ件13组态构成大磨头磁流变抛光系统的器件：离心泵Ⅰ件2、磁流阀Ⅰ件5、流量计Ⅰ件8、 回收泵Ⅱ件39，相应地，与抛光轮Ⅱ件35组态构成小磨头磁流变抛光系统的器件：离心泵Ⅱ件33、磁流阀Ⅱ件30、流量计Ⅱ件27、回收泵Ⅰ件18；系统程序自动将各功能单元的I/O物理地址映射至对应的逻辑地址；系统底层程序通过设置电磁阀Ⅰ1～Ⅰ6、Ⅱ1～Ⅱ6均通电的逻辑，正确组态管路连接；组态完成并校验后，完成组态重构，实现循环单元Ⅰ借用循环单元Ⅱ中的回收泵，并与大柔性磨头组态形成抛光工具轴。

Claims (3)

1.一种可组态重构的磁流变抛光装置，其特征在于：所述的抛光装置包括模块化的大柔性磨头单元、小柔性磨头单元、循环单元Ⅰ、循环单元Ⅱ、PLC控制单元，所述循环单元Ⅰ和循环单元Ⅱ具有磁流变液循环管路，连接循环单元Ⅰ、循环单元Ⅱ、大柔性磨头单元、小柔性磨头单元，形成磁流变液循环闭合回路； PLC控制单元控制循环单元Ⅰ和循环单元Ⅱ循环管路中的电磁阀，将“循环单元Ⅰ和大柔性磨头单元”、“循环单元Ⅰ和小柔性磨头单元”、“循环单元Ⅱ和大柔性磨头单元”、“循环单元Ⅱ和小柔性磨头单元”形成磁流变液管路传输循环回路。

2.根据权利要求1所述可组态重构的磁流变抛光装置，其特征在于：所述大柔性磨头单元由抛光轮Ⅰ（13）和磁场Ⅰ（45）组成，电磁激励的磁场Ⅰ（45）内置于抛光轮Ⅰ（13）内。

3.根据权利要求1所述可组态重构的磁流变抛光装置，其特征在于：所述小柔性磨头单元由抛光轮Ⅱ（35）和磁场Ⅱ（46）组成，永磁激励的磁场Ⅱ（46）内置于抛光轮Ⅱ（35）内。