CN108555699A - 超声振动与常压等离子喷射辅助变刚度气压砂轮随形抛光装置及方法 - Google Patents

超声振动与常压等离子喷射辅助变刚度气压砂轮随形抛光装置及方法 Download PDF

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Abstract

一种超声振动与常压等离子喷射辅助变刚度气压砂轮随形抛光装置，包括等离子体发生装置、等离子喷射装置、变刚度气压砂轮随形抛光装置、CCD检测装置、多自由度机器人控制装置和超声振动辅助装置，等离子体发生装置与所述等离子喷射装置，等离子喷射装置的等离子喷射头位于工作台的抛光工位的上方；变刚度气压砂轮随形抛光装置安装在多自由度机器人控制装置的动作端，变刚度气压砂轮随形抛光装置的抛光头位于工作台的抛光工位上，超声振动辅助装置安装在所述变刚度气压砂轮随形抛光装置上，CCD检测装置的视角范围覆盖所述工作台的抛光工位。本发明实现大气压条件下脆硬材料表面的超精密抛光加工，并且做到加工效率高，加工效果好。

Description

超声振动与常压等离子喷射辅助变刚度气压砂轮随形抛光装 置及方法
技术领域
本发明属于非金属表面加工技术领域，具体涉及一种超声振动与常压等离子喷射辅助气压砂轮随形抛光装置及方法。
背景技术
随着科技的不断发展，已经将越来越多的脆硬性材料制成的零件运用于国防、军事以及航天航空等领域。故脆硬材料的产品越来越朝着高精度，高硬度，高耐磨性等方向发展。比如碳化硅(SiC)具有机械硬度高、化学性能稳定、热稳定性好、表面质量高、比刚度强、热变形系数小、热膨胀系数小、尺寸稳定性好、光学可加工性好、抗辐射性能好等优点，在各个领域都得到了广泛的应用。但是由于碳化硅材料的高硬度和表面微结构的复杂性导致碳化硅材料磨具在进行超精密加工的时候有很多的难题，加工制造的时候在保证零件的表面粗糙度降低的同时做到不降低材料的硬度、强度。
抛光就是超光滑表面加工的主要手段，传统抛光方法加工的元件可以达到表面粗糙度极低，达到了超光滑水平。但是这些方法都有固有的缺点，传统的机械抛光由于是接触式加工，在抛光过程中依靠的是磨粒的微切削作用故在抛光的时候劳动强度大，污染较为严重，而且无法加工复杂的零件，容易导致加工工件表面及亚表面的破坏；单纯的化学抛光存在化学溶液的调配以及回收利用也比较困难，往往在抛光的过程中会产生氧化碳等有害气体，加工效率也比较低，影响工业生产的效率。然而目前在进行抛光加工的时候大多数采用的还是传统意义上的机械抛光，严重的制约了加工的精度以及降低了工具寿命。为了解决上述的问题就提出了超声振动辅助抛光的方法，将超声振动和传统的抛光加工工艺相结合，在变刚度气压砂轮上充分发挥超声振动达到高材料去除率，高处理强度以及加工高精密性。
发明内容
为了克服现有的脆硬材料的大型复杂曲面抛光加工中存在的技术问题，本发明提供一种等离子氧化反应和机械柔性随形抛光以及超声振动相结合的抛光的方法，目的在于解决常规的机械式研磨抛光方法在脆硬材料复杂自由曲面时难以加工出形面精度高的自由曲面、且在加工时存抛光效率低等问题，实现大气压条件下脆硬材料表面的超精密抛光加工，并且做到加工效率高，加工效果好。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
一种超声振动与常压等离子喷射辅助变刚度气压砂轮随形抛光装置，包括等离子体发生装置、等离子喷射装置、变刚度气压砂轮随形抛光装置、CCD检测装置、多自由度机器人控制装置和超声振动辅助装置，所述等离子体发生装置与所述等离子喷射装置，所述等离子喷射装置的等离子喷射头位于工作台的抛光工位的上方；所述变刚度气压砂轮随形抛光装置安装在多自由度机器人控制装置的动作端，所述变刚度气压砂轮随形抛光装置的抛光头位于工作台的抛光工位上，所述超声振动辅助装置安装在所述变刚度气压砂轮随形抛光装置上，所述CCD检测装置的视角范围覆盖所述工作台的抛光工位。
进一步，所述等离子发生装置包括激发气体瓶、反应气体瓶、混合气体管、反应气体管、气体导管、减压阀和流量计；所述等离子喷射装置包括串并混联运动机构、射频电源、增压阀和等离子喷射头；所述变刚度气压砂轮随形抛光装置包括变刚度气压砂轮、变刚度气压砂轮驱动电机、气体腔、恒力装置、六维力传感器、工作台、加工工件、夹具、气泵和末端铰连接件；所述CCD检测装置包括CCD检测摄像头、支撑架、铰连接件和可调节微动转动头；所述超声振动辅助装置包括上下电极、超声发生装置、超声换能器和超声变幅杆。
再进一步，所述工作台用来放置进行抛光加工的工件，并用夹具对加工工件进行固定；气体导管依次连接激发气体瓶、反应气体瓶和混合气体管，将混合气体在反应气体管中激发出等离子体，通过增压阀对等离子体进行增压；串并混联运动机构包括XYZ三向运动平台和多自由度并联机械臂，通过XYZ三向移动平台控制等离子喷射头装置的位置和姿态，并控制多自由度并联机械臂)控制等离子喷射头与自由曲面的法线相垂直，对加工工件表面进行均匀的等离子体喷射；变刚度气压砂轮与变刚度气压砂轮驱动电机连接，变刚度气压砂轮包括柔性气囊内腔、高分子粘结剂和磨粒层，柔性气囊内腔由弹性高分子基体制成，在气囊腔外部覆盖一层表面高分子粘结剂用于粘结磨粒层，在机械臂末端连接件与气压砂轮抛光装置之间连接恒力装置，能够通过力传感控制恒力抛光；气泵通过导气管将压缩空气输送到气体腔中；超声发生装置发射出一定频率的超声波经过换能器后将电信号转变为机械振动信号，在通过变幅杆进行放大后达到迫使变刚度气压砂轮不断高频抛光；CCD监控装置中使用三个CCD摄像头，彼此成120°夹角，通过铰连接件)和可调节微动转动头控制CCD摄像头的拍摄范围，通过CCD摄像头的监控变刚度气压砂轮和被加工工件表面的接触面积，控制二者贴合面可以随着工件曲率的变化实时改变；机械臂连接到其控制装置通过编程控制变刚度气压砂轮的位姿，使得变刚度气压砂轮与机械臂末端的夹角可以调整，辅助变刚度气压砂轮进行随形抛光。
一种常压等离子喷射辅助变刚度气压砂轮随形抛光方法，所述抛光方法包括以下步骤：
步骤1：打开等离子体发生装置，控制激发气体与反应气体的配比，使得气体通过气体导管传输到混合气体管；
步骤2：预热射频电源，将负极接到反应气体管外表面，正极接到正接线柱中，激发等离子体的产生；打开增压阀、通过控制串并混联运动机构中的XYZ三向移动平台控制等离子喷射头装置移动到达加工工件表面上方，并控制多自由度并联机械臂控制等离子喷射头始终与自由曲面的法线相垂直，对加工工件表面进行均匀的喷射等离子体，使得等离子体与工件表面进行氧化反应生成氧化层；
步骤3：变刚度气压砂轮驱动电机驱动变刚度气压砂轮进行高速旋转，多自由度机械臂控制变刚度气压砂轮对工件表面氧化层进行材料去除；变刚度气压砂轮包括柔性气囊内腔、粘结剂和磨粒层；柔性气囊内腔由弹性高分子基体制成，在气囊腔外部覆盖一层表面高分子粘结剂用于粘结磨粒层；变刚度气压砂轮实时在线调节气压砂轮的刚度，控制二者贴合面可以随着工件曲率的变化实时改变，实现随形抛光的效果，去除表面的氧化层；通过超声振动辅助装置的高频率振动促进变刚度气压砂轮与加工工件表面之间更频繁的碰撞，使得加工材料表面的氧化层能够更快更好的达到均匀去除的效果；并且可以利用超声振动的优点使得在氧化层去除过程中脱落的细小磨粒颗粒快速使得离开加工区域；
步骤4：通过六维力传感器监控变刚度气压砂轮抛光时的具体参数，配合恒力装置控制机械臂进行恒力抛光；
步骤5：通过CCD检测装置中的三个CCD摄像头控制CCD摄像头的拍摄范围，实时的拍摄抛光作业是变刚度气压砂轮与工件表面的接触面积的大小，优化加工工艺参数；
步骤6：完成抛光，关闭各设备，取出抛光工件。
进一步，所述步骤1中，在激发气体瓶和反应气体瓶前端加上流量计(12)，达到配比气体比例。
再进一步，所述步骤1中，选择Ar、He等离子体作为等离子体激发气体，采用SF6、CF4、NF3、O2作为反应气体。
更进一步，所述步骤2中，通过串并混联运动机构达到控制等离子喷射头工作时一直与自由复杂曲面的法线相垂直，控制各点的流体喷射时间、流量以及喷射状态相同，使得复杂自由曲面上各点的氧化效果均匀。
所述步骤3中，采用的变刚度气压砂轮具有柔性调节的能力，在线调节气压砂轮的刚度，使得抛光过程中变刚度气压砂轮和加工工件表面二者贴合面可以随着工件曲率的变化实时改变，实现随形抛光的效果。
所述步骤4中，通过CCD摄像头实时的拍摄变刚度气压砂轮和与加工工件之间接触面的面积的大小，利用图像拼接算法和接触区域边缘捕捉算法计算出接触区域的面积，控制变刚度气压砂轮和复杂自由曲面的贴合程度，达到随形抛光。
所述步骤4中，在气体回路内加上净化过滤装置控制进入气囊的气体洁净，通过压力计、电气伺服阀和流量计实时的掌握气体腔内部的气压变化情况，气变刚度压砂轮进行抛光过程中刚度可调。
本发明的技术构思为：随着脆硬材料的零件所需的数量的加大以及质量要求的提高，针对当前的各种抛光加工方法存在的不足，提出来一种氧化辅助抛光为代表的等离子和机械柔性随形抛光以及超声振动相结合的抛光的方法，将等离子体的氧化反应以及超声振动应用到抛光过程中，能够在大气压的条件下实现对脆硬材料的复杂自由非金属表面的精密抛光加工，通过等离子体中的活性自由基与工件表面的原子进行氧化反应生成硬度远低于脆硬性材料本身的氧化层。然后使用变刚度气压砂轮对表面氧化层进行材料去除。变刚度气压砂轮可以调节气压砂轮的刚度，在使用变刚度气压砂轮的过程中可以选择与硬度大于氧化层硬度且小于脆硬材料硬度的抛光磨粒，在提高抛光效率的同时减少了工件表面损伤。通过超声装置的高频率振动促进变刚度气压砂轮与加工工件表面之间更频繁的碰撞，使得加工材料表面的氧化层能够更快更好的达到均匀去除的效果。并且可以利用超声振动的优点使得在氧化层去除过程中脱落的细小磨粒颗粒快速使得离开加工区域，避免加工过程中的二次损伤。使用CCD监控系统监测抛光过程中能够变刚度气压砂轮和被加工工件表面的接触面积，控制二者贴合面可以随着工件曲率的变化实时改变，实现随形抛光的效果。在脆硬材料抛光的过程中提高了材料表面的去除率，有效的降低的加工零件表面的机械损伤。
本发明通过注入等离子体使得等离子体中的活性自由基与被加工表面进行化学反应，然后通过多自由度机械臂控制变刚度气压砂轮进行工件表面的抛光。等离子体与工件表面进行化学反应生成硬度远低于脆硬材料本身的氧化层，在使用变刚度气压砂轮的过程中可以选择与硬度大于氧化层硬度且小于脆硬材料硬度的抛光磨粒，在提高抛光效率的同时减少了工件表面损伤。通过超声装置的高频率振动促进变刚度气压砂轮与加工工件表面之间更频繁的碰撞，使得加工材料表面的氧化层能够更快更好的达到均匀去除的效果。并且可以利用超声振动的优点使得在氧化层去除过程中脱落的细小磨粒颗粒快速使得离开加工区域，避免加工过程中的二次损伤。通过CCD摄像头实时的拍摄变刚度气压砂轮和与加工工件之间接触面的面积的大小，利用图像拼接算法和接触区域边缘曲线算法计算出接触区域的面积，监控变刚度气压砂轮和复杂自由曲面的贴合程度，控制贴合面可以随工件曲率的变化而改变，从而达到随形抛光，能有效的提高脆硬性材料工件的抛光效率、精度以及抛光效果。
本发明的有益效果主要表现在：能够在大气压的条件下实现脆硬材料的复杂自由非金属表面的精密抛光加工，通过控制等离子体中的活性自由基与工件表面的原子进行氧化反应生成硬度远低于脆硬材料本身的氧化层。然后使用变刚度气压砂轮对表面氧化层进行去除。变刚度气压砂轮可以实时在线调节气压砂轮的刚度，通过超声装置的高频率振动促进变刚度气压砂轮与加工工件表面之间更频繁的碰撞，使得加工材料表面的氧化层能够更快更好的达到均匀去除的效果。并且可以利用超声振动的优点使得在氧化层去除过程中脱落的细小磨粒颗粒快速使得离开加工区域，避免加工过程中的二次损伤。通过CCD监测系统使得抛光过程中可以控制变刚度气压砂轮和加工工件之间的贴合面可以随着工件曲率的变化实时改变，实现随形抛光的效果，去除表面的氧化层。而且在使用变刚度气压砂轮的过程中可以选择与硬度大于氧化层硬度且小于脆硬材料硬度的抛光磨粒，在提高抛光效率的同时减少了工件表面损伤。
附图说明
图1是本发明具体事例中的整体结构示意图。
图2是变刚度气压砂轮抛光装置的细节图。
图3是变刚度气压砂轮结构细节图。
图4是变刚度气压砂轮的放大图。
图5是串并混联运动机构和CCD监控装置的细节图。
图6是等离子喷射头细节部分。
图7是超声振动辅助装置的细节图。
图8是本发明具体实例中进行抛光的自由曲面。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步描述。
参照图1～图8，一种超声振动与常压等离子喷射辅助变刚度气压砂轮随形抛光装置，包括等离子体发生装置(1)、等离子喷射装置(2)、变刚度气压砂轮抛光装置(3)、CCD检测装置(4)、多自由度机器人控制装置(5)和超声振动辅助装置(37)，等离子发生装置(1)包括激发气体瓶(6)、反应气体瓶(7)、混合气体管(8)、气体反应管(9)、气体导管(10)、减压阀(11)、流量计(12)。等离子喷射装置(2)包括串并混联运动机构(13)、射频电源(14)、增压阀(15)、等离子喷射头(16)。变刚度气压砂轮随形抛光装置(3)包括变刚度气压砂轮(17)、变刚度气压砂轮驱动电机(18)、气体腔(19)、恒力装置(20)、六维力传感器(21)、工作台(22)、加工工件(23)、夹具(24)、气泵(25)、末端铰连接件(26)、柔性气囊内腔(171)、高分子粘结剂(172)、磨粒层(173)。CCD检测装置(4)包括CCD检测摄像头(27)、支撑架(28)、铰连接件(29)、可调节微动转动头(30)。超声振动辅助装置(37)包括超声波发生装置(34)、超声换能器(35)、超声变幅杆(36)、上下电极(33)。
工作台(22)用来放置进行抛光加工的工件(23)，并用夹具(24)对加工工件(23)进行固定。气体导管(9)依次连接激发气体瓶(5)、反应气体瓶(6)和混合气体管(7)。将混合气体在反应气体管(9)中激发出等离子体，通过增压阀(15)对等离子体进行增压。串并混联运动机构(13)中包括XYZ三向运动平台(32)和多自由度并联机械臂(31)。通过XYZ三向移动平台控制等离子喷射头装置(2)的位置和姿态，并控制多自由度并联机械臂(31)控制等离子喷射头(16)始终与自由曲面的法线相垂直，对加工工件(23)表面进行均匀的等离子体喷射。变刚度气压砂轮(17)与变刚度气压砂轮驱动电机(18)连接，该动力装置控制变刚度气压砂轮进行高速旋转。气泵(25)对气体腔(39)通入气体。变刚度气压砂轮(17)是分为柔性气囊内腔、高分子粘结剂、磨粒层组成。柔性气囊内腔由弹性高分子基体制成，相比较普通的砂带和砂轮有更好的柔性形变的效果，在气囊腔外部覆盖一层表面高分子粘结剂用于粘结磨粒层。变刚度气压砂轮(17)比之普通砂轮，砂带机构有较大的柔性，可以实时在线调节气压砂轮的刚度。在机械臂末端连接件与气压砂轮抛光装置(3)之间连接恒力装置(20)，能够通过力传感(21)控制恒力抛光。气泵(25)通过导气管将压缩空气输送到气体腔(19)中。超声振动辅助装置(6)与传动轴之间通过连接件(38)连接。超声辅助振动装置有超声波发生装置(34)、超声换能器(35)、超声变幅杆(36)、上下电极(33)。超声发生装置(34)发射出一定频率的超声波经过换能器(35)后将电信号转变为机械振动信号，在通过变幅杆(36)进行放大后达到迫使变刚度气压砂轮不断高频抛光的目的。CCD监控装置中使用三个CCD摄像头，彼此成120°夹角，可以通过铰连接件(29)和可调节微动转动头(30)控制CCD摄像头的拍摄范围。通过CCD摄像头(27)的监控变刚度气压砂轮(17)和被加工工件(23)表面的接触面积，控制二者贴合面可以随着工件曲率的变化实时改变。机械臂(5)连接到其控制装置通过编程控制变刚度气压砂轮(17)的位姿。使得变刚度气压砂轮(17)与机械臂末端的夹角可以调整，可以更好的辅助变刚度气压砂轮进行随形抛光。
一种超声振动与常压等离子喷射辅助变刚度气压砂轮随形抛光方法，包括以下步骤：
步骤1：打开激发气体瓶(6)、反应气体瓶(7)、流量计(12)、减压阀(11)，合理控制激发气体与反应气体的配比，使得气体通过气体导管(10)传输到混合气体管(8)。
步骤2：预热射频电源(14)，将负极接到反应气体管(9)外表面，正极接到正接线柱(33)中，激发等离子体的产生。打开增压阀(15)、通过控制串并混联运动机构(13)中的XYZ三向移动平台控制等离子喷射头装置(2)移动到达加工工件(23)表面上方，并控制多自由度并联机械臂(31)控制等离子喷射头(16)始终与自由曲面的法线相垂直，对加工工件(23)表面进行均匀的喷射等离子体，使得等离子体与工件表面进行氧化反应生成氧化层。
步骤3：变刚度气压砂轮驱动电机(18)驱动变刚度气压砂轮(17)进行高速旋转，多自由度机械臂(5)控制变刚度气压砂轮(17)对工件表面氧化层进行材料去除。打开超声发生装置(37)。变刚度气压砂轮(17)是分为柔性气囊内腔、粘结剂、磨粒层组成。柔性气囊内腔由弹性高分子基体制成，相比较普通的砂带和砂轮有更好的柔性形变的效果，在气囊腔外部覆盖一层表面高分子粘结剂用于粘结磨粒层。变刚度气压砂轮可以实时在线调节气压砂轮的刚度，控制二者贴合面可以随着工件曲率的变化实时改变，实现随形抛光的效果，去除表面的氧化层。通过超声装置的高频率振动促进变刚度气压砂轮与加工工件表面之间更频繁的碰撞，使得加工材料表面的氧化层能够更快更好的达到均匀去除的效果。并且可以利用超声振动的优点使得在氧化层去除过程中脱落的细小磨粒颗粒快速使得离开加工区域，避免加工过程中的二次损伤。
步骤4：通过六维力传感器(21)监控变刚度气压砂轮抛光时候的具体参数，配合恒力装置(20)控制机械臂进行恒力抛光。
步骤5：通过CCD监控机构(4)中的三个CCD摄像头控制CCD摄像头的拍摄范围，实时的拍摄抛光作业是变刚度气压砂轮(17)与工件(23)表面的接触面积的大小，优化加工工艺参数。
步骤6：完成抛光，关闭各设备，取出抛光工件。
将超声振动、等离子体辅助抛光系统和变刚度气压砂轮随形抛光系统相结合。通过等离子体中的活性自由基与工件表面的原子进行氧化反应生成硬度远低于脆硬材料本身的氧化层。然后使用变刚度气压砂轮对表面氧化层进行均匀去除。变刚度气压砂轮可以实时在线调节气压砂轮的刚度，使得抛光过程中变刚度气压砂轮和加工工件表面之间者贴合面可以随着工件曲率的变化实时改变，实现随形抛光的效果，去除表面的氧化层。在使用变刚度气压砂轮的过程中可以选择与硬度大于氧化层硬度且小于脆硬材料硬度的抛光磨粒，在提高抛光效率的同时减少了工件表面损伤。通过超声装置的高频率振动促进变刚度气压砂轮与加工工件表面之间更频繁的碰撞，使得加工材料表面的氧化层能够更快更好的达到均匀去除的效果。并且可以利用超声振动的优点使得在氧化层去除过程中脱落的细小磨粒颗粒快速使得离开加工区域，避免加工过程中的二次损伤。
所述步骤1中，在激发气体瓶(6)和反应气体瓶(7)前端加上流量计(12)，达到合理的配比气体比例。
所述步骤1中，可以选择Ar、He等离子体作为等离子体激发气体，采用SF6、CF4、NF3、O2作为反应气体。
所述步骤2中，可以通过串并混联运动机构(13)达到控制等离子喷射头(16)工作时一直与自由复杂曲面的法线相垂直，控制各点的流体喷射时间、流量以及喷射状态相同，使得复杂自由曲面上各点的氧化效果均匀。
所述步骤3中采用的变刚度气压砂轮(17)具有柔性调节的能力。可以在线调节气压砂轮的刚度，使得抛光过程中变刚度气压砂轮和加工工件表面二者贴合面可以随着工件曲率的变化实时改变，实现随形抛光的效果。
所述步骤3中，采用了超声辅助装置。超声辅助装置有超声波发生装置、超声换能器、超声变幅杆、上下电极。超声发生装置发射出一定频率的超声波经过换能器后将电信号转变为机械振动信号，在通过变幅杆进行放大后达到迫使变刚度气压砂轮不断高频抛光的目的。通过超声装置的高频率振动促进变刚度气压砂轮与加工工件表面之间更频繁的碰撞，使得加工材料表面的氧化层能够更快更好的达到均匀去除的效果。并且可以利用超声振动的优点使得在氧化层去除过程中脱落的细小磨粒颗粒快速使得离开加工区域，避免加工过程中的二次损伤。
所述步骤4中加入了CCD摄像头。通过CCD摄像头实时的拍摄变刚度气压砂轮和与加工工件之间接触面的面积的大小，利用图像拼接算法和接触区域边缘捕捉算法计算出接触区域的面积，控制变刚度气压砂轮和复杂自由曲面的贴合程度，达到随形抛光。
所述步骤4中，在气体回路内加上净化过滤装置(32)控制进入气囊的气体洁净。通过压力计(35)，电气伺服阀(34)和流量计(33)可以实时的掌握气体腔(19)内部的气压变化情况，气变刚度压砂轮(17)进行抛光过程中刚度可调。
所述步骤5中，采用CCD监测(4)和变刚度气压砂轮(3)相结合，达到在抛光的时候更好的贴合待加工工件的表面。
抛光复杂的自由曲面，材料是RB-SiC，厚度范围10mm--30mm，机械臂末端与变刚度气压砂轮抛光系统的角度选择为30°。
其特征工艺步骤为：
第一步：将RB-SiC样品(23)放置于工作台(22)上，并用夹具(24)对其进行固定；
第二步：打开激发气体瓶(6)和反应气体瓶(7)按照反应气体(水蒸气)与激发气体(氦气)的最优配比控制流量计(12)使两个在混合管(8)内得到充分的混合，打开射频电源(13)进行预热，将负极接到反应气体管(9)外表面，正极接到正接线柱(33)中，激发等离子体的产生；
第三步：通过控制串并混联运动机构(13)中的XYZ三向移动平台(32)控制等离子喷射头装置(2)移动到达加工工件(23)表面上方。并控制六自由度并联机械臂(31)控制等离子喷射头(16)始终与自由曲面的法线相垂直，对加工工件(23)表面进行均匀的喷射等离子体，使得等离子体与工件表面进行氧化反应生成氧化层。
第四步：打开超声振动辅助装置(37)，多自由度机械臂(5)控制变刚度气压砂轮抛光系统(3)对工件表面氧化层进行抛光。利用超声振动的辅助特性使得变刚度气压砂轮在对工件表面氧化层进行去除的时候进行高频率的碰撞，并且在高频都懂得过程中加快脱落磨粒以及材料的掉落，提高抛光加工效率，避免工件的二次损伤。变刚度气压砂轮可以实时在线调节气压砂轮的刚度，使得抛光过程中变刚度气压砂轮和加工工件表面之间的接触力实时可控，控制二者贴合面可以随着工件曲率的变化实时改变，实现随形抛光的效果，去除表面的氧化层。
第五步：通过CCD监测装置(4)拍摄抛光作业过程中变刚度气压砂轮(17)与工件(23)表面的接触面积的大小，利用图像拼接算法和接触区域边缘捕捉算法计算出接触区域的面积，控制变刚度气压砂轮和复杂自由曲面的贴合程度，优化曲面贴合情况。
所述流量计选用差压式流量计。
所述的激发气体和反应气体选用的是氦气和水蒸气。在实验过程中还可以选用氦气或氩气等作为激发气体；六氟化硫、四氟化碳或三氟化氮、氧气等为反应气体。在配比二者的比例的时候需要考虑具体的湿度、温度等外界环境。
在所述的具体实例中等离子进行工件表面的氧化的时候发生的氧化反应方程式为：
SiC+3OH-→SiO2+CO+1.5H2
Si+2OH-→SiO2+H2
所述射频电源的功率25W。
所述导轨采用的是XYZ三轴联动，竖直方向运动范围0-50CM，水平方向前后运动范围-30-30CM。
所述的气压砂轮磨粒大小选用320。
工作原理：由流量计严格的控制激发气体和反应气体的比例，在射频电源的激发下产生等离子体，通过控制串并混联运动机构中的XYZ三向移动平台控制等离子喷射头装置移动到达加工工件表面上方，激发水蒸气和氦气产生的等离子体。并控制多自由度并联机械臂控制等离子喷射头始终与自由曲面的法线相垂直，对加工工件表面进行均匀的喷射等离子体，使得等离子体中的活性自由基与工件表面进行氧化反应生成氧化层。由多自由度机器人控制变刚度气压砂轮进行对工件表面的氧化层进行磨削。变刚度气压砂轮由弹性高分子材料加表面高分子粘结剂以及外表面磨粒构成，比之普通砂轮，砂带机构有较大的柔性，可以实时在线调节气压砂轮的刚度。可以根据工件表面氧化层的硬度选用不同大小的气囊内腔以及不同磨粒数制成的变刚度气压砂轮，扩大可加工范围并且提高加工精度。通过超声装置的高频率振动促进变刚度气压砂轮与加工工件表面之间更频繁的碰撞，使得加工材料表面的氧化层能够更快更好的达到均匀去除的效果。并且可以利用超声振动的优点使得在氧化层去除过程中脱落的细小磨粒颗粒快速使得离开加工区域，避免加工过程中的二次损伤。通过CCD监控系统使得抛光过程中能够实时监控变刚度气压砂轮和被加工工件表面的接触面积。实现变刚度气压砂轮和加工工件表面之间的接触力实时可控，控制二者贴合面可以随着工件曲率的变化实时改变，实现随形抛光的效果。
本说明书实施例所述的内容仅仅是对发明构思的实现形式的列举，本发明的保护范围的不应当被视为仅限于实施事例所陈述的具体形式，本发明的保护范围也及于本领域技术人员根据本发明构思所能够想到的等同技术手段。

Claims (10)

1.一种超声振动与常压等离子喷射辅助变刚度气压砂轮随形抛光装置，其特征在于，所述抛光装置包括等离子体发生装置、等离子喷射装置、变刚度气压砂轮随形抛光装置、CCD检测装置、多自由度机器人控制装置和超声振动辅助装置，所述等离子体发生装置与所述等离子喷射装置，所述等离子喷射装置的等离子喷射头位于工作台的抛光工位的上方；所述变刚度气压砂轮随形抛光装置安装在多自由度机器人控制装置的动作端，所述变刚度气压砂轮随形抛光装置的抛光头位于工作台的抛光工位上，所述超声振动辅助装置安装在所述变刚度气压砂轮随形抛光装置上，所述CCD检测装置的视角范围覆盖所述工作台的抛光工位。
2.如权利要求1所述的超声振动与常压等离子喷射辅助变刚度气压砂轮随形抛光装置，其特征在于，所述等离子发生装置包括激发气体瓶、反应气体瓶、混合气体管、反应气体管、气体导管、减压阀和流量计；所述等离子喷射装置包括串并混联运动机构、射频电源、增压阀和等离子喷射头；所述变刚度气压砂轮随形抛光装置包括变刚度气压砂轮、变刚度气压砂轮驱动电机、气体腔、恒力装置、六维力传感器、工作台、加工工件、夹具、气泵和末端铰连接件；所述CCD检测装置包括CCD检测摄像头、支撑架、铰连接件和可调节微动转动头；所述超声振动辅助装置包括上下电极、超声发生装置、超声换能器和超声变幅杆。
3.如权利要求2所述的超声振动与常压等离子喷射辅助变刚度气压砂轮随形抛光装置，其特征在于，所述工作台用来放置进行抛光加工的工件，并用夹具对加工工件进行固定；气体导管依次连接激发气体瓶、反应气体瓶和混合气体管，将混合气体在反应气体管中激发出等离子体，通过增压阀对等离子体进行增压；串并混联运动机构包括XYZ三向运动平台和多自由度并联机械臂，通过XYZ三向移动平台控制等离子喷射头装置的位置和姿态，并控制多自由度并联机械臂)控制等离子喷射头与自由曲面的法线相垂直，对加工工件表面进行均匀的等离子体喷射；变刚度气压砂轮与变刚度气压砂轮驱动电机连接，变刚度气压砂轮包括柔性气囊内腔、高分子粘结剂和磨粒层，柔性气囊内腔由弹性高分子基体制成，在气囊腔外部覆盖一层表面高分子粘结剂用于粘结磨粒层，在机械臂末端连接件与气压砂轮抛光装置之间连接恒力装置，能够通过力传感控制恒力抛光；气泵通过导气管将压缩空气输送到气体腔中；超声发生装置发射出一定频率的超声波经过换能器后将电信号转变为机械振动信号，在通过变幅杆进行放大后达到迫使变刚度气压砂轮不断高频抛光；CCD监控装置中使用三个CCD摄像头，彼此成120°夹角，通过铰连接件)和可调节微动转动头控制CCD摄像头的拍摄范围，通过CCD摄像头的监控变刚度气压砂轮和被加工工件表面的接触面积，控制二者贴合面可以随着工件曲率的变化实时改变；机械臂连接到其控制装置通过编程控制变刚度气压砂轮的位姿，使得变刚度气压砂轮与机械臂末端的夹角可以调整，辅助变刚度气压砂轮进行随形抛光。
4.一种如权利要求1所述的常压等离子喷射辅助变刚度气压砂轮随形抛光装置的抛光方法，其特征在于，所述抛光方法包括以下步骤：
步骤1：打开等离子体发生装置，控制激发气体与反应气体的配比，使得气体通过气体导管传输到混合气体管；
步骤2：预热射频电源，将负极接到反应气体管外表面，正极接到正接线柱中，激发等离子体的产生；打开增压阀、通过控制串并混联运动机构中的XYZ三向移动平台控制等离子喷射头装置移动到达加工工件表面上方，并控制多自由度并联机械臂控制等离子喷射头始终与自由曲面的法线相垂直，对加工工件表面进行均匀的喷射等离子体，使得等离子体与工件表面进行氧化反应生成氧化层；
步骤3：变刚度气压砂轮驱动电机驱动变刚度气压砂轮进行高速旋转，多自由度机械臂控制变刚度气压砂轮对工件表面氧化层进行材料去除；变刚度气压砂轮包括柔性气囊内腔、粘结剂和磨粒层；柔性气囊内腔由弹性高分子基体制成，在气囊腔外部覆盖一层表面高分子粘结剂用于粘结磨粒层；变刚度气压砂轮实时在线调节气压砂轮的刚度，控制二者贴合面可以随着工件曲率的变化实时改变，实现随形抛光的效果，去除表面的氧化层；通过超声振动辅助装置的高频率振动促进变刚度气压砂轮与加工工件表面之间更频繁的碰撞，使得加工材料表面的氧化层能够更快更好的达到均匀去除的效果；并且可以利用超声振动的优点使得在氧化层去除过程中脱落的细小磨粒颗粒快速使得离开加工区域；
步骤4：通过六维力传感器监控变刚度气压砂轮抛光时的具体参数，配合恒力装置控制机械臂进行恒力抛光；
步骤5：通过CCD检测装置中的三个CCD摄像头控制CCD摄像头的拍摄范围，实时的拍摄抛光作业是变刚度气压砂轮与工件表面的接触面积的大小，优化加工工艺参数；
步骤6：完成抛光，关闭各设备，取出抛光工件。
5.如权利要求4所述的抛光方法，其特征在于：所述步骤1中，在激发气体瓶和反应气体瓶前端加上流量计(12)，达到配比气体比例。
6.如权利要求4所述的抛光方法，其特征在于：所述步骤1中，选择Ar、He等离子体作为等离子体激发气体，采用SF6、CF4、NF3、O2作为反应气体。
7.如权利要求4所述的抛光方法，其特征在于：所述步骤2中，通过串并混联运动机构达到控制等离子喷射头工作时一直与自由复杂曲面的法线相垂直，控制各点的流体喷射时间、流量以及喷射状态相同，使得复杂自由曲面上各点的氧化效果均匀。
8.如权利要求4所述的抛光方法，其特征在于：所述步骤3中，采用的变刚度气压砂轮具有柔性调节的能力，在线调节气压砂轮的刚度，使得抛光过程中变刚度气压砂轮和加工工件表面二者贴合面可以随着工件曲率的变化实时改变，实现随形抛光的效果。
9.如权利要求4所述的抛光方法，其特征在于：所述步骤4中，通过CCD摄像头实时的拍摄变刚度气压砂轮和与加工工件之间接触面的面积的大小，利用图像拼接算法和接触区域边缘捕捉算法计算出接触区域的面积，控制变刚度气压砂轮和复杂自由曲面的贴合程度，达到随形抛光。
10.如权利要求4所述的抛光方法，其特征在于：所述步骤4中，在气体回路内加上净化过滤装置控制进入气囊的气体洁净，通过压力计、电气伺服阀和流量计实时的掌握气体腔内部的气压变化情况，气变刚度压砂轮进行抛光过程中刚度可调。
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