CN110653716B - 一种研磨抛光加工过程中提高加工均匀性的方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明是一种研磨抛光加工过程中提高加工均匀性的方法及装置，控制系统获取加工者设置的主轴设定转速，经过主轴转速计算，得到优化后的质数优化转速值，作为主轴优化转速输入到主轴控制器，控制主轴转速；根据主轴优化转速，确定从动件设定转速；采用机器视觉方法检测从动件实际转速，输入到控制系统，比较从动件实际转速与从动件设定转速，获得反馈信息；根据反馈信息，控制系统对从动件转速进行调节，并以调整加工参数的方式使得从动件实际转速与从动件设定转速相同。本发明综合考虑研磨抛光加工过程的实际状况，提高研磨抛光过程加工的均匀性，能够提升工件的加工质量，对研磨抛光加工具有积极指导意义。

Description

一种研磨抛光加工过程中提高加工均匀性的方法及装置

技术领域

本发明涉及精密加工技术领域，具体涉及一种研磨抛光加工过程中提高加工均匀性的方法以及利用该方法实现提高加工均匀性的装置。

背景技术

研磨抛光加工是获得良好加工质量的有效手段，目前常见的研磨抛光加工，对于主轴（一般是研磨抛光盘所在的轴）转速设定，一般根据加工工件材料、磨料材料、磨料附着方式等决定，但对于具体值的设定，一般根据加工者的加工经验来确定；当需要更改加工材料、磨料材料以及其他加工条件改变时，重新设置加工转速具有较大的随意性，并不能保证设定的转速值为最优。

由于研磨抛光过程大部分是浮动研磨，具体表现为磨具运动已知，但工件运动未知。而研磨抛光加工过程中，磨料与工件的相对运动为磨具自身的回转运动与工件自身的回转运动相叠加。根据磨料与工件相对轨迹方程分析，工件的运动是从动的，因此工件也叫从动件，工件本身的回转运动由研磨盘驱动，具体表现为转速不大于主轴转速。根据轨迹分析，当工件从动转速为不同的值时， 相对运动的轨迹是不同的。具体表现为，当工件从动转速处于某些值时，轨迹分布会更加均匀。利用机器视觉的方法，检测工件的从动转速，并通过调节压力、主轴转速、偏心距等方式，调节从动件的转速为最佳转速，加工件的加工质量会更高。

在一些研究中，研究者已用数学公式推导和模拟在特定情况下，单颗研磨微粒相对于工件的运动轨迹。本发明所述的方法与装置，通过优化加工过程，对于提高加工过程中的均匀性和自动化程度，对于提高加工质量与加工效率具有积极作用。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术存在的问题，提供一种研磨抛光加工过程中提高加工均匀性的方法及装置，提高研磨抛光过程中加工的均匀性。

为实现上述技术目的，达到上述技术效果，本发明通过以下技术方案实现：

一种研磨抛光加工过程中提高加工均匀性的方法及装置，该方法包括以下步骤：

步骤1）控制系统获取加工者设置的主轴设定转速，经过主轴转速计算，得到优化后的质数优化转速值，作为主轴优化转速输入到主轴控制器，控制主轴转速；

步骤2）根据主轴优化转速，确定从动件设定转速；

步骤3）采用机器视觉方法检测从动件实际转速，输入到控制系统，比较从动件实际转速与从动件设定转速，获得反馈信息；

步骤4）根据反馈信息，控制系统对从动件转速进行调节，并以调整加工参数的方式使得从动件实际转速与从动件设定转速相同。

进一步的，所述步骤1）中，主轴转速计算方法为：

步骤1.1）确定主轴设定转速；

步骤1.2）根据主轴设定转速及质数表，确定不小于设定转速的最小质数和小于设定转速的最大质数；

步骤1.3）将不小于设定转速的最小质数作为主轴优化转速，并输出。

进一步的，所述步骤2）中，确定从动件设定转速的方法为：

步骤2.1）确定主轴优化转速；

步骤2.2）根据从动件转速不会高于主轴优化转速，模拟从动件转速从最小值到最大值的情况下轨迹点的分布情况；

步骤2.3）根据模拟不同从动件转速下轨迹点分布不同，确定轨迹点分布最均匀的从动件转速为从动件设定转速。

进一步的，所述步骤3）中，采用机器视觉方法检测从动件实际转速包括以下步骤：

步骤3.1）通过机器视觉系统监测加工区域，机器视觉系统实时识别从动件上的特征点以及特征点在图像中对应的位置，获得从动件的图像特征信息；

步骤3.2）根据图像采集的帧率和数据的更新频率，设定一次处理图像的帧数；

步骤3.3）计算处理图像序列第一帧与最后一帧图像中特征点转动的角度和时间间隔，确定此段时间内从动件转动的角度，即为从动件实际转速。

进一步的，所述图像特征信息包括有：从动件的转速、主轴连接件的转速和从动件与主轴的偏心距，其中，根据在单段加工过程中，图像采集装置的位置不变，来确定主轴连接件的转速。

进一步的，所述步骤4）中，调整的加工参数包括有：调整研磨盘与从动件间的压力、主轴转速、从动件与主轴的偏心距，另外还可将从动件最优转速中第二佳的转速代替目前最佳转速。

一种研磨抛光加工过程中提高加工均匀性的装置，其特征在于，该装置包括机器视觉系统、主机、控制系统和辅助支撑机构，所述机器视觉系统包括光源、相机、镜头、输入/输出单元和图像处理软件，所述控制系统包括主轴转速获取和调节装置、转速计算软件、压力调节装置和偏心距调节装置，所述转速计算软件包括主轴转速计算和从动件转速计算，所述图像处理软件、转速计算软件运行在主机上，所述辅助支撑机构包括固定底板、立柱、相机支撑板和光源支撑板。

进一步的，所述固定底板固定在研磨抛光机上，所述立柱固定在固定底板上，所述相机支撑板固定在立柱上，所述光源支撑板固定在立柱上，所述镜头固定在相机上，所述相机固定在相机支撑板上，所述光源固定在光源支撑板上，所述主机用于运行图像处理软件和转速计算软件。

优选的，所述固定方式包括螺纹连接、铆接、焊接和粘结中的一种或多种。

优选的，所述压力调节装置的动力包括液压、气压、电力和机械中的一种或多种；

所述偏心距调节装置的调节方式包括：

通过旋转轴连接从动件旋转中心，偏心旋转轴进行旋转以调整偏心距；

或者以电机、气缸或液压缸来控制轴进行伸缩调节。

本发明的有益效果是:

1、本发明利用机器视觉方法，能对转速不恒定的从动件进行转速检测，自动化程度高；

2、本发明可以根据加工者设定主轴转速自动确定最适合设定值的质数优化转速，并以此来确定从动件设定转速，科学优化加工参数，通过提高研磨抛光过程去除的均匀性，来提高加工质量；

3、本发明综合考虑工件在研磨抛光加工过程的实际状况，能够自动设置主轴转速，自动调整从动件转速，对研磨抛光加工具有积极指导意义。

附图说明

图1为本发明所述装置的立体图；

图2为工件的研磨抛光加工示意图；

图3为工件研磨抛光加工相对运动图；

图4为本发明方法及装置的运行逻辑图；

图5为主轴计算算法逻辑流程图；

图6为从动件转速计算算法逻辑流程图；

图7为从动件转速调节逻辑流程图。

图中标号说明：1、研磨抛光机；11、研磨抛光机桌面；12、研磨盘；21、工件；22、卡盘；23、压盘；31、固定底板；32、立柱；33、相机支撑板；34、相机；35、光源支撑板；36、光源；41、顶杆；42、偏心距调节装置；43、压力调节装置。

具体实施方式

下面将参考附图并结合实施例，来详细说明本发明，，但实施例仅是范例性的，并不对本发明的范围构成任何限制。本领域技术人员应该理解的是，在不偏离本发明的精神和范围下可以对本发明技术方案的细节和形式进行修改或替换，但这些修改和替换均落入本发明的保护范围内。

描述材料去除量与其影响因素之间关系较为通用的数学模型是Preston方程：

式中，

为单位时间的材料去除量，

为与加工条件及材料性能有关的系数，

为研磨盘与工件间的相对压力，

为研磨盘与工件间的相对速度。

下面将结合所述一种研磨抛光加工过程中提高加工均匀性的装置，介绍本发明具体实施方式。在本实施方式下，主动件为与主轴连接的研磨盘，从动件为加工工件。但本发明所述的方法和装置同时适用于主动件为加工工件，从动件为研磨盘的情况；以及适用于任何根据本实施方式进行更改和替换的运动形式。

如图1所示，本发明装置包括机器视觉系统、主机、控制系统和辅助支撑机构。所述机器视觉系统包括相机34、光源36、镜头、输入/输出单元、图像处理软件；所述控制系统主要包括主轴转速获取和调节装置、转速计算软件、偏心距调节装置42和压力调节装置43；所述图像处理软件和最优转速计算软件运行在主机上；所述辅助支撑机构包括固定底板31、立柱32、相机支撑板33、光源支撑板35；所述固定底板31通过螺纹连接固定在研磨抛光机1的桌面上，所述立柱32通过螺纹连接固定在固定底板31上，所述相机支撑板33螺纹连接固定在立柱31的顶端，所述镜头通过螺纹连接固定在相机34上，所述相机34通过螺纹连接固定在相机支撑板33的竖直端面；所述光源36通过螺纹连接固定在光源支撑板35上。

在本实施例中，具体操作时，加工者设置加工时的设定转速操作面板与主轴电机之间可设置测试装置和控制装置，可以根据设定值检测出设定转速和根据控制系统的优化值对电机控制器进行控制，进而控制电机转速。另外，主轴获取和调节装置作为外加模块，对调节电流进行检测反映出调节转速，将设定转速传送给转速计算软件，计算出优化转速，传递到控制系统，控制系统通过外加模块，对电机转速进行控制，通过控制系统连接控制器，通过主轴电机转速控制器获取转速，转速计算软件进行计算，将计算值返回，作为控制值对电机转速进行控制的方式。

所述研磨抛光机1上固定有研磨抛光机桌面11、研磨盘12和顶杆41，所述研磨盘12上放置有工件21并通过顶杆41进行固定，加工过程中，工件21绕顶杆41中心旋转。

工件在研磨抛光机上的加工示意图如图2所示，研磨盘12由电机带动，以转速

绕定点

转动，工件21浮动在研磨盘12上，由研磨盘12与工件21间的相互作用，工件21随动，以转速

绕定点

转动。

由图3所示，以磨具的旋转中心

为坐标原点，在垂直于旋转轴线的磨盘表面建立直角坐标系，在此坐标系下建立研磨运动的轨迹方程式。磨具上点A相对于工件的运动轨迹方程为：

其中

为偏心距，

为研磨盘转速，

为工件转速，

为点

到

点的距离，

为研磨时间。

可以仿真证明，当主轴转速为质数时，从动工件上研磨轨迹分布更加均匀。并且在不同从动转速下，轨迹分布也有区别，在不大于主轴转速情况下，会有最佳的从动转速。

转速计算软件，便是根据加工者设置的主轴设定转速，选取最佳的质数设定转速，其实现逻辑如图5所示，具体实现逻辑如下所述：

控制系统获取加工者设定转速值

，则根据质数表，查找不小于

的最小质数，将其赋值给

；将小于

的最大质数赋值给变量

。将

作为主轴优化转速传递给控制系统，控制系统根据此数值控制主轴电机转速，并通过反馈调节，保证主轴转速不变。

转速计算软件根据

值，进行轨迹仿真，计算在从动转速为不同值时的轨迹点分布均匀情况，进行比较，选择轨迹点分布最为均匀的从动转速作为调节目标。其实现逻辑如图6所示，主要实现逻辑如下所述：

根据参数方程，将二维轨迹线离散化取点，可以获取

坐标。通过数字化坐标系，将二维笛卡尔坐标系中

、

坐标轴进行数字化，且每一离散化的区间均有记录是否有轨迹点分布的标志，设其初值为0，再以一定粒度

进行划分，

、

，比较

、

。若

在此区间，

赋值为1，代表此离散区间有轨迹点。最后统计在数字化表面范围内，大于零的区间数，最大者则为最为均匀的情况，对应的转速变为设定转速。

在单段加工过程中，图像采集装置的位置不变，主轴的转速可以视为恒定，因此可利用机器视觉系统监测加工区域，获得从动件的实际转速等图像特征信息，利用机器视觉方法，对实际加工过程进行处理，如图4所示，首先由机器视觉系统的光源照在监测区域，相机实时采集工件运动图像，图像处理软件进行处理，输出工件实际转速

等图像特征信息。

控制系统根据设定转速

与实际转速

之差进行调整，通过改变压力、主轴转速、偏心距等改变工件的实际转速，使工件的实际转速保持在设定转速，使加工轨迹更加均匀，进一步提高工件的加工质量。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种研磨抛光加工过程中提高加工均匀性的方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

步骤1）控制系统获取加工者设置的主轴设定转速，经过主轴转速计算，得到优化后的质数优化转速值，作为主轴优化转速输入到主轴控制器，控制主轴转速；

步骤2）根据主轴优化转速，确定从动件设定转速；

步骤3）采用机器视觉方法检测从动件实际转速，输入到控制系统，比较从动件实际转速与从动件设定转速，获得反馈信息；

步骤4）根据反馈信息，控制系统对从动件转速进行调节，并以调整加工参数的方式使得从动件实际转速与从动件设定转速相同；

所述步骤1）中，主轴转速计算方法为：

步骤1.1）确定主轴设定转速；

步骤1.2）根据主轴设定转速及质数表，确定不小于设定转速的最小质数和小于设定转速的最大质数；

步骤1.3）将不小于设定转速的最小质数作为主轴优化转速，并输出。

2.根据权利要求1所述的研磨抛光加工过程中提高加工均匀性的方法，其特征在于，所述步骤2）中，确定从动件设定转速的方法为：

步骤2.1）确定主轴优化转速；

步骤2.2）根据从动件转速不会高于主轴优化转速，模拟从动件转速从最小值到最大值的情况下轨迹点的分布情况；

步骤2.3）根据模拟不同从动件转速下轨迹点分布不同，确定轨迹点分布最均匀的从动件转速为从动件设定转速。

3.根据权利要求1所述的研磨抛光加工过程中提高加工均匀性的方法，其特征在于，所述步骤3）中，采用机器视觉方法检测从动件实际转速包括以下步骤：

步骤3.1）通过机器视觉系统监测加工区域，机器视觉系统实时识别从动件上的特征点以及特征点在图像中对应的位置，获得从动件的图像特征信息；

步骤3.2）根据图像采集的帧率和数据的更新频率，设定一次处理图像的帧数；

步骤3.3）计算处理图像序列第一帧与最后一帧图像中特征点转动的角度和时间间隔，确定此段时间内从动件转动的角度，即为从动件实际转速。

4.根据权利要求3所述的研磨抛光加工过程中提高加工均匀性的方法，其特征在于，所述图像特征信息包括有：从动件的转速、主轴连接件的转速和从动件与主轴的偏心距。

5.根据权利要求1所述的研磨抛光加工过程中提高加工均匀性的方法，其特征在于，所述步骤4）中，调整的加工参数包括有：调整研磨盘与从动件间的压力、主轴转速、从动件与主轴的偏心距。

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