CN108214113A - 一种永磁体遥操纵涡旋抛光装置及抛光方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种永磁体遥操纵涡旋抛光装置及抛光方法，属于精密制造领域。电机输出轴与外部永磁体固定连接，电机固定于机械臂上，机械臂固定于底座上，z向旋转台固定于底座之上，工作台固定于z向旋转台之上，工件放置并固定于工作台中，工作台内装有抛光液并浸没工件，抛光工具位于工件腔体内部。优点是：可有效解决现有抛光方法复杂的机械结构在加工内腔时的结构限制，更适用于加工复杂的内腔表面结构；其抛光工具结构结构新颖，配合外部磁场驱动其移动及转动可以加工复杂表面，整个结构具有非常大的工作空间，适用于绝大多数复杂内腔的抛光，因此其应用范围十分广泛。

Description

一种永磁体遥操纵涡旋抛光装置及抛光方法

技术领域

本发明属于精密制造领域，涉及一种永磁体遥操纵涡旋定向抛光装置及其抛光方法，用于对深宽比较大的腔体类复杂曲面抛光。

背景技术

现今，复杂曲面零件在机械行业有了广泛应用，已经成为航空航天、航海、汽车零部件、模具等领域众多零件的重要工作面，其结构日趋复杂，且对其精度要求不断提高，传统抛光方法已无法满足其加工要求。抛光作为精密加工的最后一道工序，是非球面面形精度和表面质量得到保证的基础。因此，非球面自由曲面抛光技术就成为了非球面制造技术中的研究重点。

传统的非球面抛光依靠手工操作，加工效率低，对操作人员的技术与经验依赖性大，且难以保证加工质量与重复性。迄今为止，国内外学者针对自由曲面的超精密抛光提出了一些非传统方法，如磁流变抛光、磁磨粒抛光、射流抛光、气囊抛光等等，且已用于商业应用中。但上述抛光方法在非球面内腔表面，尤其是口径较小且深度较大的内腔表面的加工方面存在着若干限制，主要问题包括磁流变抛光的机械结构较复杂、抛光工具受工件结构限制无法深入腔体内部，磁磨粒抛光的抛光工具形状与工件表面不匹配，射流抛光在腔体内表面产生椭圆形压痕，气囊抛光在工件表面产生亚表面损伤等等。迄今为止，针对口径小、深度大的内腔曲面的抛光方法还很少被提及。

发明内容

本发明提供一种永磁体遥操纵涡旋抛光装置及抛光方法，以解决现在缺乏对口径较小、深度较大的腔体类工件内表面抛光的装置和方法的问题。

本发明采取的技术方案是：电机输出轴与外部永磁体固定连接，电机固定于机械臂上，机械臂固定于底座上，z向旋转台固定于底座之上，工作台固定于z向旋转台之上，工件放置并固定于工作台中，工作台内装有抛光液并浸没工件，抛光工具位于工件腔体内部。

所述外部永磁体为圆柱形，充磁方向为径向方向。

所述机械臂具有六个自由度。

所述抛光工具的结构是：外部为球形外壳，内部固定一个径向充磁的圆柱形永磁体。

所述球形外壳采用树脂材料。

一种永磁体遥操纵涡旋抛光抛光方法，包括下列步骤：

步骤1：放置并固定工件于工作台内，将抛光工具放入工件腔体内部，然后向工作台内部倒入抛光液，确保抛光液浸没工件；

步骤2：开启机械臂、电机及z向旋转台的电源；控制外部永磁体的轴线方向始终与空间直角坐标系x轴方向平行，并由电机带动外部永磁体按照式(1)转动，驱动抛光工具绕空间直角坐标系x轴并与外部永磁体反方向转动：

式中，μ为空间磁导率，m为抛光工具内部永磁体的偶极矩，M为外部永磁体的偶极矩，p为由外部永磁体中心至抛光工具中心的位置矢量，c为抛光液阻力系数，θ为外部永磁体磁偶矩M与空间直角坐标系y轴正向的夹角；

步骤3：根据抛光工具所在位置，确定其所受合力F_total，进而确定其所需磁力F，将抛光工具运动至加工路径起点处：

F＝F_total-F_b-G (2)

式中，F_b为抛光液所受浮力，G为抛光液所受重力；

根据式(2)求出所需磁力F，由式(3)求出位置矢量p的大小和方向，进而由机械臂驱动外部永磁体到达指定位置，使抛光工具沿所需方向运动，直至抛光工具运动至指定位置：

式中，外部永磁体中心至抛光工具中心的单位位置矢量

步骤4：通过机械臂带动外部永磁体使且F_total＝0，控制抛光工具开始绕定点转动；抛光工具通过转动带动其周围的抛光液产生涡旋流，涡旋流所受动力矩τ_d由式(4)表示：

τ_d＝|m||B| (4)

式中，B为外部永磁体在抛光工具中心产生的磁感应强度；

持续转动的涡旋流内部抛光磨粒对工件表面产生作用力，从而实现对工件内表面的抛光；

步骤5：重复步骤3、步骤4，同时配合z向旋转台带动工件进行转动，将抛光工具沿既定加工运动路径驱动至下一位置，然后开始定点转动，开始对工件的下一部分进行抛光；

步骤6：待抛光工作全部完成，关闭电源，取出抛光工具及工件，即完成全部抛光工作。

本发明通过电机及机械臂带动外部永磁体进行转动及移动，产生的动态旋转磁场对抛光工具内部永磁体施加转矩及力，使抛光工具实现转动及移动，从而带动抛光工具附近的抛光液产生涡旋流，涡旋流中的抛光粒子对工件待加工表面施加作用力，从而实现腔体类工件内表面抛光。

本发明的优点是：通过外部永磁体遥操纵机构对抛光工具进行驱动，从而带动工作台内部抛光液的转动，配合z向旋转台带动工件旋转调整加工区域与抛光工具相对位置，实现对工件的区域抛光。其抛光机理为外部磁场的无线驱动，可有效解决现有抛光方法复杂的机械结构在加工内腔时的结构限制，更适用于加工复杂的内腔表面结构；其抛光工具结构结构新颖，配合外部磁场驱动其移动及转动可以加工复杂表面，解决现有抛光方法由于抛光工具结构限制而不能加工复杂表面的问题；整个结构具有非常大的工作空间，适用于绝大多数复杂内腔的抛光，因此其应用范围十分广泛。

附图说明

图1是本发明永磁体遥操纵涡旋抛光装置示意图，图中：1为底座，2为z向旋转台，3为工作台，其内部装有抛光液，4为工件，5为抛光工具，6为外部永磁体，7为电机，8为机械臂；

图2(a)是抛光工具内部永磁体结构示意图，图中：501为树脂外壳，502为内部柱状永磁体；

图2(b)是图2(a)左视图；

图3为抛光工具所受磁场及磁力示意图，图中：M、m分别为外部永磁体及抛光工具偶极矩，B为抛光工具所受磁感应强度，F为抛光工具所受磁力；

图4(a)为抛光工具受力示意图，图中：为抛光装置受力平衡状态；

图4(b)为抛光工具受力示意图，图中：为抛光工具受到沿z轴正方向的合力而产生移动的状态；

图4(c)为抛光工具受力示意图，图中：为抛光工具受到沿y轴负方向的合力而产生移动的状态。

具体实施方式

如图1所示，包括底座1、z向旋转台2、工作台3、工件4、抛光工具5、外部永磁体6、电机7及机械臂8，圆柱形的外部永磁体6沿径向充磁，电机7带动外部永磁体6实现转动，电机7及外部永磁体6固定于机械臂8上，由机械臂8带动实现六个自由度的运动，机械臂8固定于底座1上；z向旋转台2固定于底座1之上，工作台3固定于z向旋转台2之上，工件4放置并固定于工作台3中，工作台3内装有抛光液并浸没工件，抛光工具5位于工件4腔体内部，由动态磁场控制其位置及转动；

所述机械臂具有六个自由度。

如图2所示，抛光工具5外部为树脂材料做成的球形外壳502，内部固定一个径向充磁的圆柱形永磁体501。当外部永磁体6由电机7驱动其转动时，会在周围产生一个动态的旋转磁场，动态磁场对抛光工具内部永磁体502施加转矩，使抛光工具5旋转；旋转的抛光工具5带动其周围的抛光液旋转产生涡旋流，其内部的抛光磨粒对工件表面施加作用力，实现工件的材料去除。

如图3所示，抛光工具在磁场中会受到磁力F的作用，磁力大小可通过改变永磁体与抛光工具的距离来改变，磁力方向可通过改变永磁体与抛光工具相对位置改变。通过机械臂8带动外部永磁体6以改变二者相对位置及距离。如图4(a)所示，装置在抛光过程中，系统处于稳定运行状态，抛光工具所受合力为零，可以绕定点旋转，对工件进行定点抛光。若将抛光工具调整到其他位置，则需改变外部永磁体和抛光工具的相对位置矢量p。以外部永磁体对抛光工具在平面yOz上的驱动为例，如图4(b)所示，减小永磁体及抛光工具间距离使磁力增大，抛光工具所受合力沿z轴正方向，使其沿z轴正方向运动。抛光工具所受磁力方向始终垂直于位置矢量p，改变位置矢量p的方向可改变磁力方向。如图4(c)所示，改变p以改变抛光工具所受磁力方向，使其所受合力沿y轴负方向并向该方向移动。同理可知，通过改变p可以驱动抛光工具沿任意方向移动。

抛光过程中，控制抛光工具在定点转动，待完成对该点的抛光工作后，改变位置矢量p使抛光工具运动到下一个抛光点，继续接下来的抛光工作；通过对抛光工具位置的实时控制，配合抛光工具转动带动抛光液产生涡旋流及旋转台的转动，即可实现对深宽比大的自由曲面内腔实现抛光。

一种永磁体遥操纵涡旋抛光抛光方法，包括下列步骤：

步骤1：放置并固定工件4于工作台3内，将抛光工具5放入工件腔体内部，然后向工作台3内部倒入抛光液，确保抛光液浸没工件4，根据工件4待加工区域，确定抛光工具的加工运动路径及z向旋转台的转动方案；

步骤2：开启机械臂8、电机7及z向旋转台2的电源；控制外部永磁体6的轴线方向始终与空间直角坐标系x轴方向平行，并由电机7带动外部永磁体6按照式(1)转动，驱动抛光工具5绕空间直角坐标系x轴并与外部永磁体6反方向转动：

式中，μ为空间磁导率，m为抛光工具内部永磁体501的偶极矩，M为外部永磁体6的偶极矩，p为由外部永磁体6中心至抛光工具5中心的位置矢量，c为抛光液阻力系数，θ为外部永磁体磁偶矩M与空间直角坐标系y轴正向的夹角；

步骤3：根据抛光工具所在位置，确定其所受合力F_total，进而确定其所需磁力F，将抛光工具运动至加工路径起点处：

F＝F_total-F_b-G (2)

式中，F_b为抛光液所受浮力，G为抛光液所受重力；

根据式(2)求出所需磁力F，由式(3)求出位置矢量p的大小和方向，进而由机械臂8驱动外部永磁体6到达指定位置，使抛光工具5沿所需方向运动，直至抛光工具5运动至指定位置：

式中，外部永磁体中心至抛光工具中心的单位位置矢量

步骤4：通过机械臂8带动外部永磁体6使且F_total＝0，控制抛光工具5开始绕定点转动；抛光工具5通过转动带动其周围的抛光液产生涡旋流，涡旋流所受动力矩τ_d由式(4)表示：

τ_d＝|m||B| (4)

式中，B为外部永磁体6在抛光工具5中心产生的磁感应强度；

持续转动的涡旋流内部抛光磨粒对工件表面产生作用力，从而实现对工件内表面的抛光；

步骤5：重复步骤3-4，同时配合z向旋转台2带动工件进行转动，将抛光工具5沿既定加工运动路径驱动至下一位置，然后开始定点转动，开始对工件的下一部分进行抛光；

步骤6：待抛光工作全部完成，关闭电源，取出抛光工具5及工件4，即完成全部抛光工作。

下面通过原理分析对本发明的抛光方法做进一步分析说明。

将外部永磁体视为单偶极子，使用单磁偶极子模型精确估计外部永磁体产生的磁场。其在抛光工具中心产生的磁感应强度B可由下式表示：

式中，μ为空间磁导率，p为由外部永磁体中心至抛光工具中心的位置矢量，Ι为单位矩阵，M为外部永磁体的偶极矩，其为垂直于永磁体旋转轴并由永磁体S极指向N极的矢量；

装置运行过程中，控制外部永磁体的轴线方向始终与空间直角坐标系x轴方向平行，抛光工具由于受到外部永磁体产生的动态磁场施加的转矩而转动，其转动轴线沿空间直角坐标系x轴且旋转方向与外部永磁体旋转方向相反。抛光工具受到的磁场转矩τ_M可由下式表示：

τ_M＝|m||B|sinα

式中，m为抛光工具内部永磁体的偶极矩，α为抛光工具磁偶矩m及其所受磁感应强度B的夹角；

抛光工具附近抛光液会对抛光工具产生阻力矩τ_f，其与抛光工具转速线性相关，可由下式表示：

式中，c为抛光液阻力系数，为抛光工具转动角速度。

若忽略惯性，当系统处于稳态时，抛光工具稳定旋转，所受磁场转矩τ_M与阻力矩τ_f的关系由下式表示：

抛光工具转速越快，装置的抛光效率越高，当α＝90°时最大；为确保装置运行过程中α＝90°且始终保持不变，电机控制器需驱动电机输出轴转速，从而带动外部永磁体使其转速满足式(1)关系：

式中，θ为永磁体磁偶矩M与空间直角坐标系y轴正向的夹角；

此时，抛光液受到动力矩τ_d跟随抛光工具的转动方向产生转动，动力矩τ_d等于外部永磁体对抛光工具施加的磁场转矩τ_M，由式(4)表示：

τ_d＝|m||B| (4)

当电机按照式(4)驱动外部永磁体旋转时，抛光工具所受磁力F由式(3)表示：

式中，外部永磁体中心至抛光工具中心的单位位置矢量

由式1可知，抛光工具所受磁力随θ变化而变化，变化范围为94.3％～100％，其变化范围小且可由抛光液产生的摩擦力平衡，因此视为近似恒定；

抛光工具在抛光过程中受到重力G、抛光液浮力F_b及磁力F共同作用(摩擦力忽略不计)：

F_total＝F+F_b+G

根据抛光工具所需运动方向确定其所受合力F_total，进而确定所需的磁力F：

F＝F_total-F_b-G (2)

根据所需磁力F，由式(3)得到位置矢量p的大小和方向，进而由机械臂驱动外部永磁体到达指定位置。

在本抛光装置进行定点抛光的过程中，控制抛光工具在永磁体的径向方向，且该条件下抛光工具所受磁场由下式表示：

此时，抛光工具所受磁力可由下式表示：

当抛光工具进行定点抛光时，三种受力的合力为0，系统处于稳态；当装置完成对该点抛光需运行到下一抛光位置时，通过机械臂带动外部永磁体以控制位置矢量p即可使抛光工具进行移动，移动到所需位置后继续控制抛光工具完成定点转动，开始对工件下一部分进行抛光工作，直至全部待抛光部分完成加工。

Claims (6)

1.一种永磁体遥操纵涡旋抛光装置，其特征在于：电机输出轴与外部永磁体固定连接，电机固定于机械臂上，机械臂固定于底座上，z向旋转台固定于底座之上，工作台固定于z向旋转台之上，工件放置并固定于工作台中，工作台内装有抛光液并浸没工件，抛光工具位于工件腔体内部。

2.根据权利要求1所述的一种永磁体遥操纵涡旋抛光装置，其特征在于：所述外部永磁体为圆柱形，充磁方向为径向方向。

3.根据权利要求1所述的一种永磁体遥操纵涡旋抛光装置，其特征在于：所述机械臂具有六个自由度。

4.根据权利要求1所述的一种永磁体遥操纵涡旋抛光装置，其特征在于：所述抛光工具的结构是：外部为球形外壳，内部固定一个径向充磁的圆柱形永磁体。

5.根据权利要求4所述的一种永磁体遥操纵涡旋抛光装置，其特征在于：所述球形外壳采用树脂材料。

6.采用如权利要求1所述的永磁体遥操纵涡旋抛光装置的一种永磁体遥操纵涡旋抛光抛光方法，其特征在于，包括下列步骤：

步骤1：放置并固定工件于工作台内，将抛光工具放入工件腔体内部，然后向工作台内部倒入抛光液，确保抛光液浸没工件；

步骤2：开启机械臂、电机及z向旋转台的电源；控制外部永磁体的轴线方向始终与空间直角坐标系x轴方向平行，并由电机带动外部永磁体按照式(1)转动，驱动抛光工具绕空间直角坐标系x轴并与外部永磁体反方向转动：

式中，μ为空间磁导率，m为抛光工具内部永磁体的偶极矩，M为外部永磁体的偶极矩，p为由外部永磁体中心至抛光工具中心的位置矢量，c为抛光液阻力系数，θ为外部永磁体磁偶矩M与空间直角坐标系y轴正向的夹角；

步骤3：根据抛光工具所在位置，确定其所受合力F_total，进而确定其所需磁力F，将抛光工具运动至加工路径起点处：

F＝F_total-F_b-G (2)

式中，F_b为抛光液所受浮力，G为抛光液所受重力；

根据式(2)求出所需磁力F，由式(3)求出位置矢量p的大小和方向，进而由机械臂驱动外部永磁体到达指定位置，使抛光工具沿所需方向运动，直至抛光工具运动至指定位置：

式中，外部永磁体中心至抛光工具中心的单位位置矢量

步骤4：通过机械臂带动外部永磁体使且F_total＝0，控制抛光工具开始绕定点转动；抛光工具通过转动带动其周围的抛光液产生涡旋流，涡旋流所受动力矩τ_d由式(4)表示：

τ_d＝|m||B| (4)

式中，B为外部永磁体在抛光工具中心产生的磁感应强度；

持续转动的涡旋流内部抛光磨粒对工件表面产生作用力，从而实现对工件内表面的抛光；

步骤5：重复步骤3、步骤4，同时配合z向旋转台带动工件进行转动，将抛光工具沿既定加工运动路径驱动至下一位置，然后开始定点转动，开始对工件的下一部分进行抛光；

步骤6：待抛光工作全部完成，关闭电源，取出抛光工具及工件，即完成全部抛光工作。