CN109605134B - 一种磁流变抛光间隙的标定装置及标定方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种磁流变抛光间隙的标定装置，包括辅助薄片、柔性连接件、信号采集装置、工控上位机、磁流变抛光轮，所述辅助薄片通过柔性连接件与所述磁流变抛光轮连接，所述辅助薄片具有与磁流变抛光轮接触的第一位置和与所述磁流变抛光轮分离的第二位置，所述工控上位机与所述信号采集装置连接，所述信号采集装置的一端与磁流变抛光轮电连接，另一端与所述辅助薄片电连接，所述柔性连接件为绝缘件。本发明还提供了一种基于上述磁流变抛光间隙的标定装置的标定方法。本发明提供的磁流变抛光间隙的标定装置及标定方法，能够实现自动化高效率高精度的抛光间隙测量。

Description

一种磁流变抛光间隙的标定装置及标定方法

技术领域

本发明涉及磁流变抛光领域，尤其涉及一种磁流变抛光间隙的标定装置及标定方法。

背景技术

磁流变抛光(Magnetorheological Finishing，MRF)技术作为近年来被广泛关注的一种光学加工方法，磁流变抛光具有加工确定性高、收敛效率稳定、亚表面破坏层小、边缘效应可控、加工适用性广以及加工大径厚比的光学镜面不存在复印效应等优点，在非球面制造领域有着广泛的应用前景。

磁流变抛光具体原理过程是：流动的磁流变液由喷嘴喷出，被转动的抛光轮带入工作区域，运动的磁流变液在工作区域强磁场和一定磁场梯度的作用下，形成具有一定硬度的Bingham介质，粘度变大，硬度显著增强，形成了具有一定形状的缎带凸起，这一凸起相当于“柔性抛光磨头”，当“柔性磨头”通过工件与抛光轮之间形成的间隙时，工件表面受到很大的剪切力，以剪切的形式实现对材料的去除。磁流变液形成的“柔性磨头”通过工作区域后又变为具有流动性的液体。磁流变液通过回收盒再次收回到循环系统中，流到储液罐里，储液罐中的搅拌器不断搅拌，然后再次被喷嘴喷出，完成一个完整的循环。

磁流变抛光去除函数物理上最直观的表示是：磨头在镜面上某一固定点研磨或抛光一定时间，产生的材料去除量分布，一般换算成单位时间表示(有时为了叙述方便，非单位时间的材料去除量分布，也称之为去除函数)。磁流变抛光技术实现高确定性高精度平面、球面、非球面或自由曲面加工的前提就是稳定可控的去除函数。附着在抛光轮上的磁流变液在磁场有效作用区域形成的缎带凸起具有一定高度，与光学表面作用时缎带凸起被挤压，挤压的距离一般称为“压入深度”。但是在实际应用中，压入深度很难准确测定，因此一般用抛光轮最低点与光学表面之间的距离—“抛光间隙”，来代替压入深度，二者的和则是缎带凸起的高度。一方面，抛光间隙测量的精度直接影响了磁流变抛光去除函数的准确性，不同的抛光间隙会导致去除函数的峰值去除率、体积去除率以及作用区域尺寸等发生变化。另一方面，加工平面、球面、非球面及自由曲面等曲面时，在整个光学表面抛光间隙必须保持恒定或稳定可控，进而才能控制整个曲面的去除函数稳定可控。

磁流变抛光轮一般设计成球形,被加工光学镜片光学表面包含平面、凹或凸的球面和非球面及自由曲面等，现有方法难以实现抛光间隙的测量，尤其是自动化高效率高精度的抛光间隙测量。

发明内容

本发明旨在至少解决上述技术问题之一，提供一种能够实现自动化高效率高精度的抛光间隙测量的磁流变抛光间隙的标定装置及标定方法。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

本发明提供了一种磁流变抛光间隙的标定装置，包括辅助薄片、柔性连接件、信号采集装置、工控上位机、磁流变抛光轮，所述辅助薄片通过柔性连接件与所述磁流变抛光轮连接，所述辅助薄片具有与磁流变抛光轮接触的第一位置和与所述磁流变抛光轮分离的第二位置，所述工控上位机与所述信号采集装置连接，所述信号采集装置的一端与磁流变抛光轮电连接，另一端与所述辅助薄片电连接，所述柔性连接件为绝缘件；所述辅助薄片处于第一位置时，所述柔性连接件被压缩，所述辅助薄片的一端与所述磁流变抛光轮接触并电导通，所述辅助薄片的另一端止抵于被加工元件，使得信号采集装置、磁流变抛光轮和辅助薄片形成回路；所述辅助薄片处于第二位置时，所述信号采集装置、磁流变抛光轮和辅助薄片所在的回路断开。

一些实施例中，所述辅助薄片包括本体和设置在本体朝向所述磁流变抛光轮一侧的导电层，所述导电层与所述信号采集装置电连接；当所述辅助薄片位于第一位置时，所述导电层与所述磁流变抛光轮接触并电连接。

一些实施例中，所述辅助薄片为导电薄片。

一些实施例中，所述辅助薄片为等厚平面薄片或等厚曲面薄片。

一些实施例中，所述辅助薄片的曲率半径和所述被加工元件上与所述辅助薄片对应位置的曲率半径一致。

一些实施例中，所述导电层为均匀粘接在所述本体朝向所述磁流变抛光轮一侧的导电金属箔。

此外，本发明还提供了一种磁流变抛光间隙的标定方法，包括：

标定前，组装本发明提供的磁流变抛光间隙的标定装置，辅助薄片位于第二位置；对被加工元件进行寻边定位，计算出加工被加工元件表面不同位置时，数控机床的理论位置和姿态；

根据数控机床的理论位置和姿态数据，对标定过程进行如下控制：

S1、移动磁流变抛光轮至被加工元件表面的第一测量标定位置上方，辅助薄片也被磁流变抛光轮带至第一测量标定位置上方；

S2、控制磁流变抛光轮和辅助薄片下降，使得辅助薄片与被加工元件的第一测量标定位置的表面贴合；

S3、继续下降磁流变抛光轮，直至磁流变抛光轮与所述辅助薄片接触并电导通；信号采集装置采集接触信号并反馈至工控上位机，工控上位机收到接触信号后控制数控机床停止动作并记录下数控机床当前的位置和姿态；

S4、位置和姿态信息记录完成后，控制磁流变抛光轮及辅助薄片上移，直至辅助薄片与磁流变抛光轮分离，同时辅助薄片与被加工元件分离；

S5、数控机床继续运动，使得磁流变抛光轮移动至被加工元件表面的下一个测量标定位置上方，重复步骤S1至S4；

重复步骤S1至S5，测量被加工元件表面不同测量标定位置的位置和姿态。

一些实施例中，标定后，将标定得到的抛光间隙恒定条件下的位置和姿态数据与理论值对比，得到差值数据分布；根据差值数据分布，补偿数控机床实际加工被加工元件的位置和姿态。

本发明的有益效果在于：辅助薄片通过柔性连接件与磁流变抛光轮连接，在标定前，辅助薄片与磁流变抛光轮分离，信号采集装置无信号输入；当辅助薄片跟随磁流变抛光轮移动到被加工元件的上方，并向下移动至第一位置时，辅助薄片与磁流变抛光轮电导通，信号采集装置介绍到采集信号，并将其传递至工控上位机，对抛光间隙进行定位和侧向。同时，工控上位机可以控制磁流变抛光轮移动至被加工元件上的不同位置，实现了抛光间隙测量的自动化，并且提高了测量精度。

附图说明

图1是本发明一个实施例中，磁流变抛光间隙的标定装置组成示意图。

附图标记：

辅助薄片 10；柔性连接件 20；工控上位机 30；磁流变抛光轮 40；信号采集装置 50；被加工元件 60。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“设置”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

下面将结合附图1详细说明一下本发明提供的磁流变抛光间隙的标定装置。

如图1所示，本发明提供了一种磁流变抛光间隙的标定装置，包括辅助薄片10、柔性连接件20、信号采集装置50、工控上位机30、磁流变抛光轮40，所述辅助薄片10通过柔性连接件20与所述磁流变抛光轮40连接，所述辅助薄片10具有与磁流变抛光轮40接触的第一位置和与所述磁流变抛光轮40分离的第二位置，所述工控上位机30与所述信号采集装置50连接，所述信号采集装置50的一端与磁流变抛光轮40电连接，另一端与所述辅助薄片10电连接，所述柔性连接件20为绝缘件；所述辅助薄片10处于第一位置时，所述柔性连接件20被压缩，所述辅助薄片10的一端与所述磁流变抛光轮40接触并电导通，所述辅助薄片10的另一端止抵于被加工元件60，使得信号采集装置50、磁流变抛光轮40和辅助薄片10形成回路；所述辅助薄片10处于第二位置时，所述信号采集装置50、磁流变抛光轮40和辅助薄片10所在的回路断开。

在本发明的一些实施例中，辅助薄片10的使用，尤其是当使用带有弹性并且表面光滑的辅助薄片10时，能够提高标定精度且具有广泛的适用性。辅助薄片10既能够与被加工元件60表面进行很好的贴合，同时又不对被加工元件60的表面造成损伤，又能够与磁流变抛光轮40接触，保证抛光间隙检测精度的同时不破坏被加工元件60的表面。另外，辅助薄片10对于平面或者其他不同曲率的凸面或凹面的抛光间隙标定均适用。

辅助薄片10与磁流变抛光轮40之间通过非导电的绝缘件柔性连接件20软连接，使得辅助薄片10能够跟随磁流变抛光轮40运动，减少人的参与，提高自动化控制；同时又能够保证辅助薄片10具有第一位置和第二位置，保证辅助薄片10与被加工元件60的表面紧密贴合。

另外，辅助薄片10的导电层(或者辅助薄片10本身导电时的辅助薄片10本体)与磁流变抛光轮40接触时，信号采集装置50就能够采集到接触信号；由于接触的敏感性，保证了磁流变抛光轮40与被加工元件60之间的抛光间隙的精确测量，保证了标定的高精度。

如图1所示，信号采集装置为采集并传送信号的信号采集电路。

为了保证回路的连通，辅助薄片10作为信号采集装置50与磁流变抛光轮40之间的导体，可以有以下两种方式实现。

方式一，辅助薄片10包括本体和设置在本体朝向所述磁流变抛光轮40一侧的导电层，所述导电层与所述信号采集装置50电连接；当所述辅助薄片10位于第一位置时，所述导电层与所述磁流变抛光轮40接触并电连接。通过导电层的设置，实现信号采集装置50与辅助薄片10之间的电连接。

在方式一中，本体为绝缘体，比如采用聚四氟乙烯为主要材料制成，再起表面设置导电层。能够整体起到减重的效果。

在方式一的基础上，导电层可以优选为均匀粘接在本体朝向磁流变抛光轮40一侧的导电金属箔。如此，可以提高导电的可靠性，不会像涂覆等其他方式形成的导电层，经多次碰撞接触后，导致导电层脱落的情况发生。

方式二，辅助薄片10整体选择为导电薄片。

在本发明中，辅助薄片10可以选择为等厚平面薄片或者等厚曲面薄片，并且厚度值已知。另外，更进一步的，辅助薄片10的曲率半径和被加工元件60上与辅助薄片10对应位置的曲率半径一致。

在本发明中，辅助薄片10的材料不宜过硬，避免对被加工元件60的表面造成损伤。

本发明中，当辅助薄片10处于第二位置时，即非测量标定状态时，辅助薄片10与磁流变抛光轮40保持非接触状态，因柔性连接件20为绝缘件，信号采集装置50无信号输入。当辅助薄片10处于第一位置时，即测量标定状态时，辅助薄片10与磁流变抛光轮40接触，信号采集装置50有信号输入，信号采集装置50将采集信号传递至工控上位机30，工控上位机30可以计算抛光间隙并向数控机床发送指令，控制数控机床的运动，将磁流变抛光轮40移动至下一个标定位置。

本发明的另一实施例中，提供了一种磁流变抛光间隙的标定方法，

标定前，组装本发明提供的磁流变抛光间隙的标定装置，辅助薄片10位于第二位置；对被加工元件60进行寻边定位，计算出加工被加工元件60表面不同位置时，数控机床的理论位置和姿态；

根据数控机床的理论位置和姿态数据，对标定过程进行如下控制：

S1、移动磁流变抛光轮40至被加工元件60表面的第一测量标定位置上方，辅助薄片10也被磁流变抛光轮40带至第一测量标定位置上方；

S2、控制磁流变抛光轮40和辅助薄片10下降，使得辅助薄片10与被加工元件60的第一测量标定位置的表面贴合；

S3、继续下降磁流变抛光轮40，直至磁流变抛光轮40与所述辅助薄片10接触并电导通；信号采集装置50采集接触信号并反馈至工控上位机30，工控上位机30收到接触信号后控制数控机床停止动作并记录下数控机床当前的位置和姿态；

S4、位置和姿态信息记录完成后，控制磁流变抛光轮40及辅助薄片10上移，直至辅助薄片10与磁流变抛光轮40分离，同时辅助薄片10与被加工元件60分离；

S5、数控机床继续运动，使得磁流变抛光轮40移动至被加工元件60表面的下一个测量标定位置上方，重复步骤S1至S4；

重复步骤S1至S5，测量被加工元件60表面不同测量标定位置的位置和姿态。

在该标定方法中，辅助薄片10跟随磁流变抛光轮40运动，不需要人工操作；数控机床通过工控上位机30的控制，自动控制磁流变抛光轮40的运动或停止，并自动记录位置和姿态参数。可以实现抛光间隙的自动化测量和标定，并且能够实现重复测量和标定，提高测量和标定效率。

另外，标定后，将标定得到的抛光间隙恒定条件下的位置和姿态数据与理论值对比，得到差值数据分布；根据差值数据分布，补偿数控机床实际加工被加工元件60的位置和姿态。

在本发明中，工控上位机30不仅对抛光间隙进行标定、测量，而且能够向数控机床传递控制信号，控制整个数控机床的运行，实现自动化控制，减少人力投入，提高标定效率。

更具体的，抛光间隙标定前，辅助薄片10由柔性连接件20连接于磁流变抛光轮40的下方，非标定状态时辅助薄片10的导电面与磁流变抛光轮40的表面不发生接触，信号采集装置50采集到非触发信号，非触发信号实时传递给工控上位机30，工控上位机30对数控机床不发出指令；根据对被加工元件60利用公知的方法进行寻边定位，利用公知的知识计算出：被加工元件60表面不同位置时，数控机床的理论位置和姿态。这一理论位置和姿态在理论上使得被加工元件60的全口径区域内磁流变抛光间隙保持恒定值。

抛光间隙标定时，按照数控机床的理论位置和姿态数据，利用公知的知识提前编写数控代码：

S1、运行数控代码，将磁流变抛光轮40移动至第一个需要测量标定位置的上方，辅助薄片10同时也被磁流变抛光轮40带到第一个测量标定位置的上方；

S2、随着数控代码的继续运行，磁流变抛光轮40及辅助薄片10开始下降，当辅助薄片10落至被加工元件60的表面时，辅助薄片10的一面与被加工元件60的表面很好的吻合；

S3、继续运行数控代码，磁流变抛光轮40下降的同时辅助薄片10不再下降，直至磁流变抛光轮40的表面与辅助薄片10的导电层接触，此时信号采集装置50采集接触信号，信号采集装置50将接触信号发送给工控上位机30，工控上位机30接收到接触信号后向数控机床发出指令，停止数控机床代码的运行并自动记录下数控机床当前的位置和姿态；

S4、位置和姿态信息记录完成，工控上位机30再次发出指令，将磁流变抛光轮40及辅助薄片10向上移动，辅助薄片10首先与磁流变抛光轮40脱离接触，然后与被加工元件60的表面脱离接触，最终将磁流变抛光轮40和辅助薄片10移动至特定的安全位置。

S5、工控上位机30再次发出指令给数控机床，数控机床继续运动至下一个测量标定位置上方。

经过上述步骤，在被加工元件60上完成一个测量标定位置的抛光间隙标定，获得抛光间隙恒定条件下数控机床实际的位置和姿态。重复上述步骤，可以自动化的完成整个被加工元件60上所有位置的抛光间隙标定。

抛光间隙标定后处理。将标定得到抛光间隙限定条件下的实际位置和姿态数据，与理论值进行对比，得到二者的差值数据分布。根据实际与理论位置和姿态的差值数据分布，利用公知的知识补偿磁流变抛光机床实际被加工元件60的位置和姿态，进而确保磁流变抛光被加工元件60的过程中抛光间隙恒定。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (8)

1.一种磁流变抛光间隙的标定装置，其特征在于，包括辅助薄片、柔性连接件、信号采集装置、工控上位机、磁流变抛光轮，所述辅助薄片通过柔性连接件与所述磁流变抛光轮连接，所述辅助薄片具有与磁流变抛光轮接触的第一位置和与所述磁流变抛光轮分离的第二位置，所述工控上位机与所述信号采集装置连接，所述信号采集装置的一端与磁流变抛光轮电连接，另一端与所述辅助薄片电连接，所述柔性连接件为绝缘件；所述辅助薄片处于第一位置时，所述柔性连接件被压缩，所述辅助薄片的一端与所述磁流变抛光轮接触并电导通，所述辅助薄片的另一端止抵于被加工元件，使得信号采集装置、磁流变抛光轮和辅助薄片形成回路；所述辅助薄片处于第二位置时，所述信号采集装置、磁流变抛光轮和辅助薄片所在的回路断开。

2.根据权利要求1所述的磁流变抛光间隙的标定装置，其特征在于，所述辅助薄片包括本体和设置在本体朝向所述磁流变抛光轮一侧的导电层，所述导电层与所述信号采集装置电连接；当所述辅助薄片位于第一位置时，所述导电层与所述磁流变抛光轮接触并电连接。

3.根据权利要求1所述的磁流变抛光间隙的标定装置，其特征在于，所述辅助薄片为导电薄片。

4.根据权利要求1所述的磁流变抛光间隙的标定装置，其特征在于，所述辅助薄片为等厚平面薄片或等厚曲面薄片。

5.根据权利要求4所述的磁流变抛光间隙的标定装置，其特征在于，所述辅助薄片的曲率半径和所述被加工元件上与所述辅助薄片对应位置的曲率半径一致。

6.根据权利要求2所述的磁流变抛光间隙的标定装置，其特征在于，所述导电层为均匀粘接在所述本体朝向所述磁流变抛光轮一侧的导电金属箔。

7.一种磁流变抛光间隙的标定方法，其特征在于，

标定前，组装权利要求1至6任意一项所述的磁流变抛光间隙的标定装置，辅助薄片位于第二位置；对被加工元件进行寻边定位，计算出加工被加工元件表面不同位置时，数控机床的理论位置和姿态；

根据数控机床的理论位置和姿态数据，对标定过程进行如下控制：

S1、移动磁流变抛光轮至被加工元件表面的第一测量标定位置上方，辅助薄片也被磁流变抛光轮带至第一测量标定位置上方；

S2、控制磁流变抛光轮和辅助薄片下降，使得辅助薄片与被加工元件的第一测量标定位置的表面贴合；

S3、继续下降磁流变抛光轮，直至磁流变抛光轮与所述辅助薄片接触并电导通；信号采集装置采集接触信号并反馈至工控上位机，工控上位机收到接触信号后控制数控机床停止动作并记录下数控机床当前的位置和姿态；

S4、位置和姿态信息记录完成后，控制磁流变抛光轮及辅助薄片上移，直至辅助薄片与磁流变抛光轮分离，同时辅助薄片与被加工元件分离；

S5、数控机床继续运动，使得磁流变抛光轮移动至被加工元件表面的下一个测量标定位置上方，重复步骤S1至S4；

重复步骤S1至S5，测量被加工元件表面不同测量标定位置的位置和姿态。

8.根据权利要求7所述的磁流变抛光间隙的标定方法，其特征在于，标定后，将标定得到的抛光间隙恒定条件下的位置和姿态数据与理论值对比，得到差值数据分布；根据差值数据分布，补偿数控机床实际加工被加工元件的位置和姿态。

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