CN112170868B - 基于力-位融合反馈的棱边去毛刺工艺方法及系统 - Google Patents

Abstract

一种基于力‑位融合反馈的棱边去毛刺工艺方法及系统，通过白光共焦位移传感器和精密进给机构进行工件棱边轮廓的精确定位和毛刺尺寸特征数据采集，从而建立切削力‑毛刺高度的数值映射关系并确定去除毛刺所需切削力阈值；在去毛刺过程中，通过力传感器实时采集刀具的切削力信号并进行反馈控制，最后经在线检测毛刺去除效果以完成工艺操作。本发明采用较小的系统规模和简便的工艺设备，能够有效提升了工件棱边部位毛刺去除精度，而且本发明柔性化水平高，便于跟工件加工机床相结合，进一步提升工件加工过程的效率和质量。

Description

基于力-位融合反馈的棱边去毛刺工艺方法及系统

技术领域

本发明涉及的是一种机械加工领域的技术，具体是一种基于力-位融合反馈的棱边去毛刺工艺方法及系统。

背景技术

在金属和非金属零件的加工过程中，加工面的交接处都会产生毛刺或者飞边。毛刺的存在对零件的加工精度、装配精度和外观质量等诸多方面都会产生不良影响，甚至危害零件的工作性能，例如：零部件的使用过程中，边角毛刺的脱落很可能造成电器短路和机械传动受阻等故障；切削刀具和液压气压传动部件上的毛刺将严重影响其使用性能；加工过程中，毛刺的脱落容易引起零部件边、角和棱部位产生盈亏，使被加工的零部件报废。在工业生产中，去除这些毛刺的成本是巨大的。对于诸如航空发动机等高精密部件，毛刺的去除能导致加工成本增加30％；在汽车零部件领域，一个中等复杂程度的部件去除毛刺的花费可以占到加工成本的15％-20％。工业实践已经证明，随着零件复杂程度和精度的提高，去毛刺系统的实际花费也会随之增加。

现有的工件去毛刺工艺多采用数控方式、扭矩控制方式以及视觉检测的机器人等等实现去毛刺处理，但大多需要通过复杂的整体系统和庞大的设备才能实现，涉及机械手等高端自动化设备，不利于在工厂和机床上进一步的推广使用，同时以上系统和方法针对伺服阀芯等精密工件的棱边微小毛刺无法进行高效精密去除，容易产生过切和亏缺等缺陷，影响零件控制精度。

发明内容

本发明针对现有技术存在的上述不足，提出一种基于力-位融合反馈的棱边去毛刺工艺方法及系统，采用较小的系统规模和简便的工艺设备，能够有效提升了工件棱边部位毛刺去除精度，而且本发明柔性化水平高，便于跟工件加工机床相结合，进一步提升工件加工过程的效率和质量。

本发明是通过以下技术方案实现的：

本发明涉及一种基于力-位融合反馈的棱边去毛刺工艺方法，通过白光共焦位移传感器和精密进给机构进行工件棱边轮廓的精确定位和毛刺尺寸特征数据采集，从而建立切削力-毛刺高度的数值映射关系并确定去除毛刺所需切削力阈值；在去毛刺过程中，通过力传感器实时采集刀具的切削力信号并进行反馈控制，最后经在线检测毛刺去除效果以完成工艺操作。

所述的精确定位是指：采用白光共焦位移传感器和精密进给机构标定刀具相对工件的轴向位置和快速进给的径向位置，采用白光共焦位移传感器对工件表面进行轴向扫掠，确定工件棱边后从而确定刀具轴向位置，记录工件表面的径向跳动和棱边毛刺高度，确定刀具快速进给的径向位置。

所述的毛刺尺寸特征数据是指：微米级别的表面毛刺的高度和宽度数据，通过白光共焦传感器对工件棱边部位表面进行扫描得到。

所述的切削力-毛刺高度的数值映射关系是指：去除毛刺所需的切削力F与毛刺高度h成正相关关系。

所述的去除毛刺所需切削力阈值是指，切削力阈值F_m＝k*h+b，其中h为白光共焦位移传感器当前所检测到的棱边部分内的最大毛刺高度，比例系数k＝29.54N/mm，b＝4.93×10^-4N。

所述的反馈控制是指：去毛刺过程中控制精密进给机构带动刀具到达快速进给的径向位置并慢速切削去除毛刺，同时通过力传感器实时监测去毛刺过程中的切向切削力信号，当进给过程中刀具的实时切向切削力F(t)不断增大，其数值增加至切削力阈值Fm时系统执行退刀并结束毛刺去除过程，否则机构持续进刀。

所述的在线检测是指：采用精密进给机构来驱动白光共焦位移传感器重新扫掠工件棱边并判断残存毛刺高度，当未达标时则重新进行本方法。

技术效果

与现有技术相比，本发明根据切削力-毛刺高度之间的数值映射关系，通过力-位融合反馈的方法控制去毛刺过程的自动进给，进一步实现去毛刺工艺过程的自动化和精密化；本发明通过X轴微米级精度、Y轴与Z轴亚微米级精度的精密进给机构，结合白光共焦位移传感器，实现去毛刺工艺过程的高精度和去除表面的高质量；本发明去毛刺整体系统结构规模较小，安装灵活，可根据磨床进行定制化改造，实现去毛刺工艺系统整体的柔性化和一体化。

附图说明

图1是本发明的棱边去毛刺工艺方法实现流程图；

图2是本发明所涉及的切削力-毛刺高度映射关系图；

图3是本发明所涉及的去毛刺工艺系统组成图；

图中：控制模块1、精密进给机构2、位移传感器3、力传感器4、去毛刺工具5、砂轮6、待处理工件7。

具体实施方式

本实施例主要针对有高精度棱边或工作边要求的工件进行毛刺去除过程，具体为伺服阀阀芯工作边的微小毛刺去除。

如图3所示，本实施例涉及的基于力-位融合反馈的棱边去毛刺工艺系统包括：控制模块、精密进给机构以及设置于其上的位移传感器、力传感器和去毛刺工具，其中：精密进给机构与控制模块相连并接收进给运动控制信号，位移传感器以微米级精度精确测量系统所需的位移数据并输出至控制模块，力传感器以0.005N精度测量毛刺去除过程中车刀所受到的切削力信号并输出至控制模块，去毛刺工具为正对待切削工件棱边表面的单晶金刚石车刀。

所述的精密进给机构是指，能够实现空间中3个正交方向上精密运动的机械系统，包括X、Y轴直线电机模组和Z轴升降平台，其运动精度为：X轴微米级精度、Y轴与Z轴亚微米级精度。

所述的控制模块包括：进给控制单元、力反馈单元和传感检测单元，其中：进给控制单元与精密进给机构相连并传输进给运动控制信号，力反馈单元与力传感器相连并传输车刀的实时切削力信号，传感检测单元与白光共焦位移传感器相连并传输工件毛刺高度数据。

本实施例中所述的去毛刺工具采用单晶金刚石车刀来切削工件棱边表面毛刺，实现毛刺去除功能。

本实施例中所述的位移传感器采用微米级别的白光共焦位移传感器精确测量系统所需的位移数据。

本实施例中所述的力传感器采用精度为0.005N的应变式力传感器来测量去除毛刺过程中车刀所受到的切削力，该应变式力传感器是指采用悬臂式方式安装于车刀下方并与控制模块相连。

如图3所示，本实施例涉及上述系统的基于力-位融合反馈的棱边去毛刺工艺方法，包括以下步骤：

步骤1)车刀相对位置的预先标定(对刀)：为了保证去毛刺过程中单晶金刚石车刀的精密进给运动，必须在对刀之前标定阀芯轴心(顶尖轴心)在去毛刺设备坐标系中的位置。采用针规形式的检棒辅助标定，检棒圆度与圆柱度可以达到亚微米级，因此符合系统工作精度要求。通过精密进给机构，将单晶金刚石车刀手动微进给直至接触检棒(可能车削到检棒)，此时刀尖与工件轴心相对位置距离S＝d/2-(h*-h)，其中：白光共焦位移传感器测得其到车削表面距离为h，当车刀车削到检棒则采用位移传感器测量到车削表面距离h*，检棒的直径为d。通过几何关系转换可得到工件轴心在坐标系中的位置。标定之后装上工件阀芯，采用类似的方式将车刀与工件对中心高，即完成了整个对刀过程；

步骤2)自动精确定位工件棱边轮廓：控制模块控制精密进给机构沿着工件轴向方向运动来对工件表面进行扫掠，白光共焦位移传感器扫掠工件径向跳动和棱边位置并传输信号数据至控制模块，控制模块自动保存数据并进行处理，计算出工件棱边在系统工作坐标系中的坐标位置，从而实现工件棱边轮廓的精确定位；

步骤3)检测工作边毛刺尺寸：由步骤2)中得到的工件工作边位置数据，控制模块控制精密进给机构驱动车刀移动至工作边位置，车床开始运转工作，白光共焦位移传感器扫描工件棱边部位表面，测量得到待加工部位的毛刺尺寸特征数据，并反馈到控制模块；

步骤4)确定毛刺去除所需切削力阈值：根据针对不锈钢伺服阀芯的大量毛刺去除实验得到的切削力和毛刺高度数据可验证，如图2所示，去除毛刺所需的切削力F与毛刺高度h成正相关关系，从而由控制模块自动设定切削力阈值近似为F_m＝k*h+b，对其进行拟合，确定比例系数k＝29.54N/mm,b＝4.93×10^-4N；

步骤5)切削毛刺并实时监测去毛刺过程的切削力：机床主轴驱动工件运转稳定后，精密进给机构驱动车刀进行工件的径向进给运动，对毛刺进行切削去除。在此过程中，应变式力传感器实时检测去毛刺过程中车刀受到的切向切削力F(t)，并反馈至控制模块；

步骤6)去毛刺工艺过程信号的反馈与控制：在精密进给机构驱动车刀进行径向进给过程中，控制模块循环判断进给过程中车刀的实时切削力F(t)是否达到系统所设定的切削力阈值F_m，当已达到，则控制进给系统进行退刀，结束毛刺去除过程；当没有达到，则控制进给系统继续进刀；

步骤7)在线评估工件棱边毛刺去除效果：毛刺去除过程结束后，精密进给机构驱动白光共焦传感器扫描工件的工作边，当位移的变化值小于工件自身所需要的配合公差，即表示工作边的毛刺已经去净。该过程起到在线检测去毛刺效果并评估的作用，具体数据结果可进一步处理后显示在控制模块的控制面板上，便于用户参考。

本方法基于切削力-毛刺高度的数值映射关系和力-位融合反馈的原理，针对工作棱边有高精度要求的工件，进行毛刺去除工艺过程及工艺系统的优化设计，实现了工业生产制造过程中工件毛刺去除工艺的自动化，有效提升了毛刺去除的工作效率，改进了工艺设备，降低了工艺成本。

经过采用440C不锈钢棒料进行去毛刺实验：经过一系列工艺流程，精磨工作边，完成配磨，即为成品伺服阀阀芯；去毛刺工艺试验参数设置：初始慢进给距离50μm，慢进给速度8μm/s，工件转速180rpm，工件直径10mm，工件径向跳动0.18μm；加工件数为100件；在对伺服阀阀芯进行端面磨削的过程中，同时进行工作边毛刺的自动去除，实际毛刺去除效果是：工作边圆角半径均小于2μm，工作边端面角为90.1°(39.7°+50.4°)，对本次试验的100个试样全部进行检测后，结果表明，全部符合工作边保持直角锐边无毛刺的加工要求，去毛刺后工作边残余毛刺高度约为0.5μm左右，废品率为0。与现有技术相比，本方法的性能指标提升在于：与现有的传统手工去毛刺工艺废品率平均60％相比，由于采用的是力-位融合过程控制方法，本方法废品率降至0，加工效率提升了7倍以上；与瑞士克林伯格公司在TSCHUDIN机床实现的伺服阀阀芯在线自动配磨解决方案相比，由于采用的是单晶金刚石车刀来车削毛刺，本方法从根本上避免了工作边上残留毛刺变形或脱落直接导致的整个伺服阀的失效。

上述具体实施可由本领域技术人员在不背离本发明原理和宗旨的前提下以不同的方式对其进行局部调整，本发明的保护范围以权利要求书为准且不由上述具体实施所限，在其范围内的各个实现方案均受本发明之约束。

Claims (1)

1.一种基于力-位融合反馈的棱边去毛刺系统，其特征在于，包括：控制模块、精密进给机构设置于其上的位移传感器、力传感器和去毛刺工具，其中：精密进给机构与控制模块相连并接收移动指令，位移传感器以微米级别精确测量系统所需的位移数据并输出至控制模块，力传感器以0.005N精度测量去除毛刺过程中车刀所受到的切削力信息并输出至控制模块，去毛刺工具为正对切削工件棱边表面的单晶金刚石车刀；

所述的精密进给机构是指，能够实现空间中3个正交方向上精密运动的机械系统，包括X、Y轴直线电机模组和Z轴升降平台，其运动精度为：X轴微米级精度、Y轴与Z轴亚微米级精度；

所述的控制模块包括：进给控制单元、力反馈单元和传感检测单元，其中：进给控制单元与精密进给机构相连并传输进给运动控制信号，力反馈单元与力传感器相连并传输车刀的实时切削力信号，传感检测单元与白光共焦位移传感器相连并传输工件毛刺高度数据；

所述的位移传感器采用微米级别的白光共焦位移传感器精确测量系统所需的位移数据；

所述的力传感器采用精度为0.005N的应变式力传感器来测量去除毛刺过程中车刀所受到的切削力，该应变式力传感器是指采用悬臂式方式安装于车刀下方并与控制模块相连；

所述的棱边去毛刺，通过白光共焦位移传感器和精密进给机构进行工件棱边轮廓的精确定位和毛刺尺寸特征数据采集，从而建立切削力-毛刺高度的数值映射关系并确定去除毛刺所需切削力阈值；在去毛刺过程中，通过力传感器实时采集刀具的切削力信号并进行反馈控制，最后经在线检测毛刺去除效果以完成工艺操作；

所述的精确定位是指：采用白光共焦位移传感器和精密进给机构标定刀具相对工件的轴向位置和快速进给的径向位置，采用白光共焦位移传感器对工件表面进行轴向扫掠，确定工件棱边后从而确定刀具轴向位置，记录工件表面的径向跳动和棱边毛刺高度，确定刀具快速进给的径向位置；

所述的毛刺尺寸特征数据是指：微米级别的表面毛刺的高度和宽度数据，通过白光共焦传感器对工件棱边部位表面进行扫描得到；

所述的切削力-毛刺高度的数值映射关系是指：去除毛刺所需的切削力F与毛刺高度h成正相关关系；

所述的去除毛刺所需切削力阈值是指，切削力阈值F_m＝k*h+b，其中h为毛刺高度，比例系数k＝29.54N/mm，b＝4.93×10^-4N；

所述的反馈控制是指：去毛刺过程中控制精密进给机构带动刀具到达快速进给的径向位置并慢速切削去除毛刺，同时通过力传感器实时监测去毛刺过程中的切向切削力信号，当进给过程中刀具的实时切向切削力F(t)达到切削力阈值Fm时则退刀并结束毛刺去除过程，否则构持续进刀；

所述的在线检测是指：采用白光共焦位移传感器和精密进给机构重新扫掠工件棱边并判断残存毛刺高度，当未达标时则重新进行棱边去毛刺。

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