CN116372785B - 一种适应多种面型的磁流变抛光装置及抛光方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于磁流变抛光技术领域，公开了一种适应多种面型的磁流变抛光装置及抛光方法，抛光头系统安装在XYZ轴运动系统的Z轴主滑块上，XYZ轴运动系统固定在机架上，用于控制抛光头系统XYZ三向的运动，AC轴运动系统固定在机架上，用于控制不同面型的待加工工件的自转和公转；磁流变液循环系统安装于抛光头系统及磁流变液收集盒上，用于通过软管和蠕动泵完成磁流变液的循环更新；加工性能监测系统安装于工件盘主轴上，用于实时监测磁流变抛光过程中工件所受的扭矩和压力。本发明具有五轴联动功能，能够适应于平面、曲面和平曲混合面的加工，具有较广的应用范围；能够实时监测记录抛光过程中工件所受的压力和扭矩，便于更好地指导生产。

Description

一种适应多种面型的磁流变抛光装置及抛光方法

技术领域

本发明属于智能制造装备技术领域，尤其涉及一种适应多种面型的磁流变抛光装置及抛光方法。

背景技术

近年来，随着电子信息技术的迅速发展，对新型光学材料的需求日益旺盛。硬脆材料作为新型光学材料的一种，因其优越的物理和化学性能，被广泛应用到航天航空、光电通信和民用工业等领域。为了确保硬脆材料的物理和化学性能得到良好的发挥，需要采用超精密加工技术，以期获得高的表面质量和加工效率。磁流变抛光技术作为超精密加工中的新兴技术，被广泛应用于硬脆材料的超精密加工。然而，在磁流变抛光技术中，抛光装置对硬脆材料的加工效率和加工精度具有决定性作用。现有技术中的抛光装置仍然存在一定的问题，具体问题如下：

现阶段磁流变抛光的过程中，所使用的磁流变抛光装置基本上都比较基础，难以对抛光过程中的重要参数进行控制和测量，这使得对于实际抛光效果的控制较为困难。因此，在磁流变抛光装置上装设加工性能监测系统，找寻监测的数据与表面质量的规律，以指导更好的生产，是亟待解决的问题。

按照抛光装置抛光头的形状可将其分为“点接触”抛光装置和“面接触”抛光装置。其中“点接触”抛光装置多适用于曲面的加工，在加工平面时存在加工效率低的问题；“面接触”抛光装置多适用于平面的加工，在加工曲面时存在加工干涉的问题，且磁流变液更新循环困难。因此，开发一种适用多种面型的磁流变抛光装置，并且保证加工效率和加工质量，是磁流变抛光装置研发过程中亟待解决的问题。

通过上述分析，现有技术存在的问题及缺陷为：

（1）现有的磁流变抛光装置无法对抛光过程中的重要参数进行控制和测量，难于控制抛光效果。

（2）现有的磁流变装置不能够适应多面型加工，且磁流变液更新循环困难，无法保证加工效率和加工质量。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种适应多种面型的磁流变抛光装置及抛光方法。

本发明是这样实现的，一种适应多种面型的磁流变抛光装置包括：

机架，用于对整体装置进行支撑；

抛光头系统，安装在XYZ轴运动系统的Z轴主滑块上，用于利用带微孔结构的抛光盘对工件进行抛光；

XYZ轴运动系统，固定在机架上，用于控制抛光头系统XYZ三向的运动，使其能够到达工件表面的任意位置，且可实现抛光头系统的往复运动；

AC轴运动系统，固定在机架上，用于控制不同面型的待加工工件的自转和公转，使其在抛光区域与抛光盘始终处于平行位置；

磁流变液循环系统，安装于抛光头系统及磁流变液收集盒上，用于通过软管和蠕动泵完成磁流变液的循环更新；

加工性能监测系统，安装于工件盘主轴上，用于实时监测磁流变抛光过程中工件所受的扭矩和压力。

进一步，所述抛光头系统包括支撑架、主轴驱动机构、行星轮运动装置、磁场发生装置和带微孔结构的抛光盘；

所述支撑架与XYZ轴运动系统的Z轴主滑块固定连接，所述主轴驱动机构安装在支撑架上，用于驱动抛光盘主轴的转动；所述磁场发生装置、抛光盘和行星轮运动装置均安装于抛光盘主轴上，所述磁场发生装置设置于行星轮运动装置和抛光盘之间，所述行星轮运动装置用于调整抛光盘和磁场发生装置的转动速度。

进一步，所述主轴驱动机构设置有主轴驱动电机、主轴驱动电机轴、主轴驱动电机同步带轮、抛光盘主轴同步带轮和同步带，所述主轴驱动电机同步带轮安装在主轴驱动电机轴外侧，主轴驱动电机同步带轮通过同步带与抛光盘主轴同步带轮连接；

所述抛光盘主轴和主轴驱动电机均安装于支撑架上，抛光盘安装于抛光盘主轴的末端上，抛光盘表面带有微孔结构。

进一步，所述行星轮运动装置设置有外齿轮固定架、外齿轮、太阳轮和行星轮，所述外齿轮固定架上端通过外齿轮固定架支架与支撑架连接，所述外齿轮与外齿轮固定架过盈配合，并通过螺钉固定；外齿轮固定架通过外齿轮固定架支架与抛光头系统的支撑架固定连接，以限制外齿轮的转动；太阳轮安装于抛光盘主轴上，通过键连接传动，并与外齿轮处于同一高度；行星轮安装于圆柱形磁铁固定盘上的凸起上，并啮合于太阳轮和外齿轮之间；

所述磁场发生装置包括圆柱形磁铁、圆柱形磁铁保持架和圆柱形磁铁固定盘，圆柱形磁铁安装于圆柱形磁铁固定盘上，并通过圆柱形磁铁保持架二次固定。

进一步，所述XYZ轴运动系统包括X轴运动系统、Y轴运动系统和Z轴运动系统；

所述X轴运动系统、Y轴运动系统和Z轴运动系统均包括有驱动电机、双膜片联轴器、滚珠丝杠、滑块、导轨、丝杠螺母、双膜片联轴器固定架、滚珠丝杠固定架；

所述X轴运动系统通过双膜片联轴器固定架和滚珠丝杠固定架固定在机架上；所述Y轴运动系统通过螺钉固定在X轴运动系统的滑块上；所述Z轴运动系统通过螺钉固定在Y轴运动系统的滑块上，所述Y轴运动系统还包括导轨基板，所述Z轴运动系统还包括Z轴主滑块。

进一步，所述AC轴运动系统包括A轴驱动电机、C轴驱动电机、减速器、左侧支撑架、左侧转轴、右侧支撑架、右侧转轴、转台、法兰盘轴承座支撑板、法兰盘轴承座、第一工件盘主轴、第二工件盘主轴、工件盘、待加工工件粘贴盘。

所述左侧支撑架通过螺栓固定在机架上，减速器通过螺钉固定在左侧支撑架左侧；A轴驱动电机通过螺钉固定在减速器左侧，并处于同一平行位置；右侧支撑架通过螺栓固定在机架上，并与左侧支撑架处于平行位置；转台通过左侧转轴和右侧转轴固定在左侧支撑架和右侧支撑架上。

所述C轴驱动电机和法兰盘轴承座支撑板通过螺钉固定在转台上，法兰盘轴承座通过螺钉固定在法兰盘轴承座支撑板上，并与C轴驱动电机同心；所述第一工件盘主轴与C轴驱动电机通过键连接；所述第二工件盘主轴安装在工件盘下方，并与之同心；待加工工件粘贴盘与工件盘通过键槽配合固定，工件盘位于磁流变液循环系统的收集盒内，待加工工件通过石蜡固定在待加工工件粘贴盘上侧。

进一步，所述磁流变液循环系统包括储液罐、搅拌器、蠕动泵、旋转接头、旋转接头固定架、进液管、出液管、收集盒和抛光盘主轴；

所述储液罐、搅拌器、蠕动泵固定在机架一侧，储液罐通过进液管和蠕动泵与旋转接头连通，进液管与旋转接头固定连接，旋转接头下端与抛光盘主轴的中心孔连通；

所述搅拌器下端位于储液罐中，用于对储液罐中的磁流变液进行搅拌；

所述收集盒底部通过出液管与储液罐连通。

进一步，所述加工性能监测系统包括第一联轴器、第二联轴器、扭矩传感器、扭矩传感器支架、压力传感器和电脑；

所述压力传感器安装在AC轴运动系统的法兰盘轴承座支撑板中心；

所述第一联轴器与AC轴运动系统的第一工件盘主轴连接；

所述扭矩传感器与第一联轴器连接，并通过扭矩传感器支架固定；

所述第二联轴器与扭矩传感器和AC轴运动系统的第二工件盘主轴连接；

所述扭矩传感器支架与AC轴运动系统的法兰盘轴承同时固定在法兰盘轴承座支撑板上；

所述压力传感器和扭矩传感器的信号采集线分别与电脑连接。

本发明的另一目的在于提供一种适应多种面型的磁流变抛光方法，所述适应多种面型的磁流变抛光方法包括：

打开一种适应多面型的磁流变抛光装置的电源；

在接通一种适应多面型的磁流变抛光装置的电源后，可以通过控制终端连接一种适应多面型的磁流变抛光装置，并通过控制终端启动一种适应多面型的磁流变抛光装置的控制系统。控制系统可以调控抛光装置中的内部驱动电机、磁流变液流速，并可以监测工件的加工性能等。本实施例中，控制终端为电子设备，电子设备包括笔记本电脑、手机等等。本实施例以电脑为控制终端展开描述。

将待加工工件通过石蜡固定在抛光装置的待加工工件粘贴盘上，并将其通过键槽配合固定在工件盘上；

具体地，可以将工件粘贴盘放在加热台上加热，等工件粘贴盘加热到80°时涂上石蜡；待石蜡融化后，将工件与工件粘贴盘相贴合，关掉加热台，使石蜡冷却，以使待工件固定在工件粘贴盘上，后将固定好工件的工件粘贴盘通过键槽配合固定在工件盘上。

通过控制系统调整抛光头系统的位置，从而获得待加工工件与带微孔结构的抛光盘的预设间隙；

具体地，可以通过控制终端对XYZ运动系统的Z轴运动系统发出控制信号，实现抛光头系统与工件之间的加工间隙的调整。需要说明的是，预设间隙值可以为任意值，可以根据具体加工要求进行设置。

打开蠕动泵和搅拌器开关，通过进液管和旋转接头将储液罐内的磁流变液输送到待加工工件与带微孔结构的抛光盘的间隙中，并在磁场发生装置的作用下形成柔性的抛光膜；

具体地，打开搅拌器开关，使得搅拌器一直对储液罐中的磁流变液搅拌，以防止其沉降。随后打开蠕动泵开关，通过进液管将储液罐中的磁流变液抽到旋转接头位置，后经过抛光盘主轴的中心流道使其到达工件与带微孔结构的抛光盘的间隙中，并在磁场发生装置的作用下形成柔性的抛光膜。

将所需的加工路径和工艺参数通过电脑的控制系统传递给整机的各个驱动电机，使得整机开始按照既定的加工轨迹和工艺参数抛光工件；

具体地，在将抛光头系统与工件之间的间隙调整至所需要求，并打开蠕动泵搅拌器后，通过控制终端对整机的各个驱动电机的速度参数进行设置，使得整机开始按照既定的加工轨迹和工艺参数抛光工件。

磁流变液在磁场的作用下通过磁场发生装置与带微孔结构的抛光盘的差速运动作用和工件盘转动产生的离心作用实现抛光区域的磁流变液更新，然后通过收集盒回收未被磁化的磁流变液；在整机抛光的过程中，压力传感器和扭矩传感器将实时采集的关于待加工工件加工性能的数据传递到电脑进行显示记录；以上步骤直至完成所需加工要求为止。

进一步，所述待加工工件的面型可以是曲面、平面和平曲混合面，通过设置XYZ轴运动系统和AC轴运动系统的运动轨迹实现多种面型的工件的抛光。

结合上述的技术方案和解决的技术问题，本发明所要保护的技术方案所具备的优点及积极效果为：

第一，本发明中的运动系统具有五轴联动功能，能够适应于平面、曲面和平曲混合面的加工，具有较广的应用范围。

本发明中的加工性能监测系统，能够实时监测记录抛光过程中工件所受的压力和扭矩，后经数据分析处理，找到与加工性能相适应的工艺参数，以更好地指导生产。

本发明采用上置式盘式抛光盘，且抛光盘表面带有微孔结构，能够有效提升待抛光工件的加工效率和加工质量。

本发明中的磁场发生装置和抛光盘能够通过行星轮运动装置实现调速转动，使得磁流变液能够在高梯度磁场和低梯度磁场之间进行运动，从而实现抛光区域的磁流变液的更新和自锐。

本发明能够通过磁流变液循环系统对磁流变液进行输送和回收，实现了磁流变液的循环更新，保证了抛光的稳定性。

本发明能够通过加工性能监控系统对加工工件所受的压力和扭矩进行实时监控，通过后续数据分析以便更好地指导实际生产。

第二，把技术方案看作一个整体或者从产品的角度，本发明所要保护的技术方案具备的技术效果和优点，具体描述如下：

1）本发明利用控制系统和五轴运动系统能够根据不同的面型要求修正抛光头与工件的位置精度，从而提高了工件的加工效率和应用范围（平面、曲面均可加工）。

2）本发明加工表面质量高。该抛光装置的抛光盘和工件盘都能按照设定速度旋转，增加了抛光磨粒运动轨迹的无序性，抛光后的表面不再产生方向性纹路，且抛光盘的磁流变液能够实时更新，提高了抛光后工件的表面质量。又抛光垫属于柔性抛光垫，对工件抛光后，基本上不产生亚表面损伤。

3）本发明增加磁流变液循环系统。该抛光装置中装配有磁流变液循环系统，可以保证磁流变液的循环更新，保障加工的稳定性。

4）本发明应用范围广。该抛光装置采用抛光头上置，工件盘下置的加工方式，最大可加工直径为15cm的工件。若将抛光头装配到机械手臂或大型龙门机床上，则可完成的加工范围将会更大。

5）本发明结构简单，成本预算较低。相较于已经商业化的轮式磁流变抛光机，该抛光装备的成本可谓是天差地别。

6）本发明增加了加工性能监测系统。在整机抛光的过程中，压力传感器和扭矩传感器将实时采集的关于待加工工件加工性能的数据传递到电脑进行显示记录，后经数据分析能够更好地指导生产。

第三，本发明的技术方案克服了现有的磁流变装备不能够适应多面型加工且加工性能监测困难的问题。

附图说明

图1是本发明实施例提供的适应多种面型的磁流变抛光装置的结构示意图；

图2是本发明实施例提供的抛光头系统的结构示意图；

图3是本发明实施例提供的抛光头系统的剖面图；

图4是本发明实施例提供的磁场发生装置的结构示意图；

图5是本发明实施例提供的行星轮运动装置的结构示意图；

图6是本发明实施例提供的带微结构的抛光盘的结构示意图；

图7是本发明实施例提供的XYZ运动系统的结构示意图；

图8是本发明实施例提供的AC轴运动系统的结构示意图；

图9是本发明实施例提供的磁流变液循环系统的结构示意图；

图10是本发明实施例提供的加工性能监测系统的结构示意图；

图11是本发明实施例提供的适应多种面型的磁流变抛光装置进行曲面加工的示意图；

图12是本发明实施例提供的适应多种面型的磁流变抛光装置抛光玻璃后的表面质量的曲线图；

图13 是本发明实施例提供的适应多种面型的磁流变抛光装置的抛光前效果图；

图14 是本发明实施例提供的适应多种面型的磁流变抛光装置的抛光10min后的抛光效果图；

图15 是本发明实施例提供的适应多种面型的磁流变抛光装置的抛光20min后的抛光效果图；

图16是本发明实施例提供的适应多种面型的磁流变抛光装置的抛光30min后的抛光效果图；

图中：1、机架；2、抛光头系统；211、抛光头系统的支撑架；212、主轴驱动电机；213、抛光盘主轴同步带轮；214、同步带；215、抛光盘主轴；216、主轴驱动电机轴；217、主轴驱动电机同步带轮；221、外齿轮固定架；222、外齿轮固定架支架；223、外齿轮；224、太阳轮；225、行星轮；226、圆柱形磁铁固定盘上的凸起；231、圆柱形磁铁；232、圆柱形磁铁保持架；233、圆柱形磁铁固定盘；234、角接触轴承；24、带微孔结构的抛光盘；3、XYZ轴运动系统；31、X轴运动系统；311、X轴驱动电机；312、X轴双膜片联轴器；313、X轴双膜片联轴器固定架；314、X轴导轨；315、X轴滑块；316、X轴丝杠螺母；317、X轴滚珠丝杠；318、X轴滚珠丝杠固定架；32、Y轴运动系统；321、Y轴驱动电机；322、Y轴双膜片联轴器固定架；323、Y轴双膜片联轴器；324、导轨基板； 325、Y轴滚珠丝杠；326、Y轴导轨；327、Y轴滚珠丝杠固定架；33、Z轴运动系统 ；331、Z轴导轨固定板；332、Z轴驱动电机固定架；333、Z轴驱动电机；334、Z轴双膜片联轴器；335、Z轴滚珠丝杠固定架；336、Z轴主滑块；337、Z轴导轨；338、Z轴滚珠丝杠；4、AC轴运动系统；401、A轴驱动电机；402、减速器；403、左侧支撑架；404左侧转轴；405、待加工工件粘贴盘；406、工件盘；407、右侧转轴；408、右侧支撑架；409、转台；410、C轴驱动电机；411、法兰盘轴承座；412、法兰盘轴承座支撑板；413、第一工件盘主轴；414、第二工件盘主轴；5、磁流变液循环系统；51、储液罐；52、搅拌器；53、蠕动泵；54、进液管；55、旋转接头；56、旋转接头固定架；57、收集盒；58、出液管；61、第二联轴器；62、扭矩传感器；63、第一联轴器；64、扭矩传感器支架；65、压力传感器；66、电脑；71、平面工件；72、曲面工件。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

如图1所示，本发明实施例提供的适应多种面型的磁流变抛光装置包括：机架1、抛光头系统2、XYZ轴运动系统3、AC轴运动系统4、磁流变液循环系统5和加工性能监测系统。

机架1的功能：承载抛光头系统2、XYZ轴运动系统3、AC轴运动系统4、磁流变液循环系统5和加工性能监测系统。

抛光头系统2的功能：用于抛光工件。主要组成：抛光盘主轴215、抛光盘主轴驱动电机212、磁场发生装置、带微孔结构的抛光盘24和行星轮运动装置等。装配方式：磁场发生装置、带微孔结构的抛光盘24和行星轮装置均装设于抛光盘主轴215上，进一步地，磁场发生装置设置于行星轮运动装置和带微孔结构的抛光盘24之间，并且三者共用同一抛光盘主轴215，磁场发生装置利用行星轮装置实现与抛光盘的差速运动。

XYZ轴运动系统3的功能：控制抛光头系统2的XYZ三向的运动，使其能够到达工件上任意位置。主要组成：X轴运动系统31、Y轴运动系统32、Z轴运动系统33等。装配方式：X轴运动系统31装设于机架1上，Y轴运动系统32固定在X轴运动系统31上，Z轴运动系统33固定在Y轴运动系统32上，三者之间都有独立的驱动电机驱动。工作原理： 当X轴驱动电机311工作时，带动X轴导轨314上的X轴滑块315实现X轴方向的运动，从而带动抛光盘主轴215实现X轴的运动；Y轴运动系统32和Z轴运动系统33的工作原理同X轴运动系统31一致。

AC轴运动系统4的功能：控制所述不同面型的待加工工件的自转和公转，使其在抛光区域与所述带微孔结构的抛光盘24始终处于平行位置。主要组成：A轴运动系统， C轴运动系统、工件盘406等。装配方式：A轴运动系统通过两个支撑架固定在机架上，C轴运动系统通过轴承座固定在A轴运动系统的转台上，工件盘406固定在C轴运动系统中心位置。工作原理：当C轴驱动电机410工作时，带动工件盘转动；当A轴驱动电机401工作时，带动转台转动，使得A轴运动系统中心位置抛光盘上的工件的待抛光区域始终与带微孔结构的抛光盘24平行。

磁流变液循环系统5的功能：实现磁流变液的循环更新，保证加工过程的稳定。主要组成：磁流变液收集盒57、蠕动泵53、储液罐51、软管、旋转接头55、搅拌器52等。装配方式：磁流变液收集盒57固定在A轴运动系统的支撑架上，并与工件盘406同心，旋转接头55固定在抛光盘主轴215顶端，软管连接磁流变液收集盒57、蠕动泵53、储液罐51和旋转接头55，使得整个磁流变液循环系统5形成闭环。工作原理：蠕动泵53通过软管抽取一只被搅拌器52搅拌的磁流变液，后经旋转接头55输送到带微孔结构的抛光盘24与工件的工作间隙中，依靠工件盘406和带微孔结构的抛光盘24旋转的离心力及强弱交替的磁场力的共同作用实现磁流变液的脱离，后经磁流变液收集盒57收集，最终通过软管流到储液罐51中，自此完成磁流变液的循环更新的过程。

加工性能监测系统的功能：用于实时监测磁流变抛光过程中的扭矩和压力。

主要组成：扭矩传感器62、压力传感器65、联轴器，电脑66等。装配方式：扭矩传感器62、压力传感器65通过联轴器固定在抛光盘主轴215上。工作原理：当抛光装置按照不同的工艺参数开始抛光时，扭矩传感器62和压力传感器65实时将工件所受的扭矩和压力信号传递到电脑，完成记录。

对于本发明实施例，当抛光盘主轴驱动电机212驱动抛光盘主轴215转动时，抛光盘主轴215带动带微孔结构的抛光盘24同速转动；同时抛光盘主轴215也驱动行星轮机构的转动，行星轮机构带动磁场发生装置实现与带微孔结构的抛光盘24的差速转动。随之，磁流变液被输送到抛光盘与工件的抛光区域，在磁场发生装置的作用下，磁流变液硬化形成“微磨头”对工件进行加工。

在本实施例中，抛光头系统2内包括抛光盘主轴215、抛光盘主轴驱动电机212、行星轮运动装置、磁场发生装置和带微孔结构的抛光盘24。抛光头系统2安装在XYZ轴运动系统3的Z轴主滑块336上；抛光盘主轴驱动电机212安装在抛光头系统的支撑架211上，用于驱动抛光盘主轴215的转动；磁场发生装置、带微孔结构的抛光盘24和行星轮运动装置均安装于抛光盘主轴215上，磁场发生装置设置于行星轮运动装置和所述带微孔结构的抛光盘24之间，行星轮运动装置用于调整带微孔结构的抛光盘24和磁场发生装置的转动速度。XYZ轴运动系统3安装在机架1上，用于控制所述抛光头系统2的XYZ三向的运动，使其能够到达待加工工件7表面的任意位置，且可实现抛光头系统2的往复运动。AC轴运动系统4安装在机架1上，用于控制待加工工件7的自转和公转，使其在抛光区域与带微孔结构的抛光盘24始终处于平行位置。磁流变液循环系统5安装于抛光头系统2及磁流变液收集盒57上，后通过进液管54、58并借助于蠕动泵53完成磁流变液的循环更新。加工性能监测系统安装于第一工件盘主轴413上，用于实时监测磁流变抛光过程中待加工工件7的扭矩和压力。

如图2至图6所示，本公开实施例提供的抛光头系统2包括抛光头系统的支撑架211、抛光盘主轴215、抛光盘主轴驱动电机212、主轴驱动电机同步带轮217、主轴驱动电机轴216、抛光盘主轴同步带轮213、同步带214、带微孔结构的抛光盘24；外齿轮固定架221、外齿轮固定架支架222、行星轮225、太阳轮224、外齿轮223、圆柱形磁铁固定盘上的凸起226；圆柱形磁铁231、圆柱形磁铁保持架232、圆柱形磁铁固定盘233。

在本实施例中，抛光头系统2安装在XYZ轴运动系统3的Z轴主滑块336上；抛光盘主轴215和抛光盘主轴驱动电机212安装于抛光头系统的支撑架211上；主轴驱动电机轴216安装于抛光盘主轴驱动电机212上，主轴驱动电机同步带轮217安装于主轴驱动电机轴216上；抛光盘主轴同步带轮213安装于抛光盘主轴215上，并与主轴驱动电机同步带轮217处于同一高度；主轴驱动电机同步带轮217与抛光盘主轴同步带轮213通过同步带214连接；带微孔结构的抛光盘24安装于抛光盘主轴215的末端。外齿轮223与外齿轮固定架221过盈配合，并通过螺钉固定；外齿轮固定架221通过外齿轮固定架支架222与抛光头系统的支撑架211固定连接，以限制外齿轮223的转动；太阳轮224安装于抛光盘主轴215上，通过键连接传动，并与外齿轮223处于同一高度；行星轮225安装于圆柱形磁铁固定盘上的凸起226上，并啮合于太阳轮224和外齿轮223之间。圆柱形磁铁231安装于圆柱形磁铁固定盘233上，并通过圆柱形磁铁保持架232二次固定；圆柱形磁铁231会在带微孔结构的抛光盘24表面产生强弱交替的磁场。

实际应用中，由电脑66的控制系统给予抛光盘主轴驱动电机212控制信号，使其带动主轴驱动电机同步带轮217转动，经同步带214将其产生的动力传递给抛光盘主轴同步带轮213，抛光盘主轴同步带轮213带动抛光盘主轴215转动，从而带动太阳轮224和带微孔结构的抛光盘24的转动，太阳轮224的转动带动行星轮225和圆柱形磁铁固定盘233，因太阳轮224和行星轮225之间的齿数不同，会使得带微孔结构的抛光盘24和磁场发生装置的转速不同。

如图7所示，本公开实施例提供的XYZ轴运动系统3包括X轴运动系统31、X轴驱动电机311、 X轴双膜片联轴器312、 X轴双膜片联轴器固定架313、X轴导轨314、 X轴滑块315、 X轴丝杠螺母316、X轴滚珠丝杠317、X轴滚珠丝杠固定架318；Y轴运动系统32、Y轴驱动电机321、Y轴双膜片联轴器固定架322、Y轴双膜片联轴器323、导轨基板324、Y轴滚珠丝杠325、Y轴导轨326、Y轴滚珠丝杠固定架327；Z轴运动系统33、Z轴导轨固定板331、Z轴驱动电机固定架332、Z轴驱动电机333、Z轴双膜片联轴器334、Z轴滚珠丝杠固定架335、Z轴主滑块336、Z轴导轨337、Z轴滚珠丝杠338。

在本实施例中，X轴运动系统31通过X轴双膜片联轴器固定架313和X轴滚珠丝杠固定架318固定在机架1上，X轴丝杠螺母316与X轴滑块315都装设在X轴滚珠丝杠317上，X轴滚珠丝杠317装设在X轴双膜片联轴器固定架313和X轴滚珠丝杠固定架318之间，X轴驱动电机311和X轴双膜片联轴器312均装设在X轴双膜片联轴器固定架313上，并与X轴滚珠丝杠317同心。因Y轴运动系统32和Z轴运动系统33的结构安装基本一致，在此不做重复介绍。

实际应用中，由电脑66的控制系统给予X轴驱动电机311、Y轴驱动电机321和Z轴驱动电机333控制信号，使其按照既定的程序控制抛光头系统2运动。

如图8和图10所示，本公开实施例提供的AC轴运动系统4包括A轴驱动电机401、C轴驱动电机410、减速器402、左侧支撑架403、左侧转轴404、右侧支撑架408、右侧转轴407、转台409、法兰盘轴承座支撑板412、法兰盘轴承座411、第一工件盘主轴413、第二工件盘主轴414、工件盘406、待加工工件粘贴盘405。

在本实施例中，左侧支撑架403通过螺栓固定在机架1上，减速器402通过螺钉固定在左侧支撑架403左侧；A轴驱动电机401通过螺钉固定在减速器402左侧，并处于同一平行位置；右侧支撑架408通过螺栓固定在机架1上，并与左侧支撑架403处于平行位置；转台409通过左侧转轴404和右侧转轴407固定在左侧支撑架403和右侧支撑架408上。

在本实施例中，C轴驱动电机410和法兰盘轴承座支撑板412通过螺钉固定在转台409上，法兰盘轴承座411通过螺钉固定在法兰盘轴承座支撑板412上，并与C轴驱动电机410主轴同心；第一工件盘主轴413与C轴驱动电机410主轴通过键连接；第二工件盘主轴414安装在工件盘406下方，并与之同心；待加工工件粘贴盘405与工件盘406通过键槽配合固定；待加工工件7通过石蜡与待加工工件粘贴盘405固定；工件盘406位于收集盒57内。

实际应用中，由电脑66的控制系统给予A轴驱动电机401和C轴驱动电机410控制信号，使其按照既定的程序控制工件盘406自转和偏转运动。

如图9所示，本公开实施例提供的磁流变液循环系统5包括储液罐51、搅拌器52、蠕动泵53、旋转接头55、旋转接头固定架56、进液管54、出液管58、收集盒57和抛光盘主轴215。

在本实施例中，储液罐51、搅拌器52、蠕动泵53固定在机架1的一侧；进液管54与旋转接头55固定连接；搅拌器52一直搅拌储液罐51中的磁流变液；进液管54通过蠕动泵53将储液罐51中的磁流变液输送到旋转接头55位置，后经抛光盘主轴215的中心孔输送到带微孔结构的抛光盘24和待加工工件7之间；出液管58与收集盒57固定连接，并通向储液罐51中。

实际应用中，储液罐51中的磁流变液在蠕动泵53的作用下，经由旋转接头55和抛光盘主轴215的中心流道被注入带微孔结构的抛光盘24与待加工工件7之间的间隙。随之，磁流变液在弱磁场区域中沿带微孔结构的抛光盘24半径方向由其中心向边缘流动，最终，被收集盒57收集到储液罐51中，完成磁流变液的循环更新。

如图8、图10所示，本公开实施例提供的加工性能监测系统6包括第一联轴器63、第二联轴器61、扭矩传感器62、扭矩传感器支架64、压力传感器65和电脑66。

在本实施例中，压力传感器65安装在法兰盘轴承座支撑板412中心；第一联轴器63与第一工件盘主轴413连接；扭矩传感器62与第一联轴器63连接，并被扭矩传感器支架64固定；第二联轴器61与扭矩传感器62和第二工件盘主轴414连接；扭矩传感器支架64与法兰盘轴承座411同时固定在法兰盘轴承座支撑板412上；压力传感器65和扭矩传感器62的信号采集线连接于电脑66。

实际应用中，打开电脑66的监测系统，实时采集记录在抛光过程中待加工工件7所受的扭矩和压力，将所采集的数据可进行后续分析处理，找寻与表面质量有关规律，以指导更好的生产。

图11是本发明实施例加工平面待加工工件和曲面待加工工件的示意图，待加工工件的面型可以是曲面、平面等，只需要设置XYZ轴运动系统3的和AC轴运动系统4的运动形式即可实现多种面型的待加工工件7的抛光。

本发明的工作原理是：

考虑到大尺寸工件具有体积大、重量大并且装夹难度较大等显著特点，特将工作方式设计成工件装夹在抛光装置的正下方。工件由AC轴运动系统4控制，可以实现平面和曲面工件的抛光区域始终与带微孔结构的抛光盘24平行。抛光头系统2由XYZ运动系统3控制，可到达工件表面的任一位置。6个圆柱形磁铁231固定在圆柱形磁铁保持架232上，与带微孔结构的抛光盘24共用同一公自转轴，可在带微孔结构的抛光盘24表面形成强弱交替的区域。储液罐51中的磁流变液在蠕动泵53的作用下，经由带微孔结构的抛光盘24自转轴中心流道输送到带微孔结构的抛光盘24与工件之间的抛光区域。随后，磁流变液在带微孔结构的抛光盘24的旋转带动下会沿抛光盘圆周方向运动，磁流变液将交替经过强弱磁场区域，使得整个抛光间隙中的磁流变液将不断地更新。加工性能监测系统始终监测并记录抛光过程中的不同的工艺参数对抛光压力的扭矩的影响规律，以便更好地指导生产。

磁流变液流经强磁场区域时，磁敏微粒会沿磁力线方向紧密排布成磁链状态，形成具有较强剪切屈服强度的缎带凸起。抛光磨粒嵌入在磁链内部，在磁敏微粒的磁浮力作用下，移向磁流变液与工件的交界面形成参与抛光的有效磨粒，而未参与抛光的抛光磨粒成为无效磨粒。磁敏微粒在磁场力作用下，会将有效磨粒压向工件表面，形成有效磨粒嵌入工件表面的法向力。同时，缎带凸起在抛光盘的带动下相对工件运动，形成有效磨粒犁耕工件表面的切向力。在法向力和切向力的共同作用下，有效磨料实现工件表面材料的去除。

本发明实施例提供的适应多种面型的磁流变抛光方法，包括：

1）打开适应多面型的磁流变抛光装置的电源；

2）启动电脑66，打开整机的控制系统及监测系统；

3）将待加工工件7通过石蜡固定在抛光装置的待加工工件粘贴盘405上，并将其通过键槽配合固定在工件盘406上；

4）根据实际加工要求，通过控制系统调整带抛光头系统2的位置，从而获得待加工工件7与带微孔结构的抛光盘24的预设间隙；

5）打开蠕动泵53和搅拌器52开关，通过进液管54和旋转接头55将磁流变液输送到待加工工件7与带微孔结构的抛光盘24的间隙中，并在磁场发生装置的作用下形成柔性的抛光模；

6）将所需的加工路径和工艺参数通过电脑66的控制系统传递给整机的各个驱动电机，使得整机开始按照既定的加工轨迹和工艺参数抛光待加工工件7；

7）磁流变液在磁场的作用下通过磁场发生装置与带微孔结构的抛光盘24的差速运动作用和工件盘406转动产生的离心作用实现抛光区域的磁流变液更新，后通过收集盒57回收未被磁化的磁流变液；

8.在整机抛光的过程中，压力传感器65和扭矩传感器62将实时采集的关于待加工工件7加工性能的数据传递到电脑66进行显示记录；

以上1-8步骤直至完成所需加工要求为止。

图12是本发明实施例提供适应多种面型的磁流变抛光装置抛光玻璃后的表面质量曲线。

使用本发明实施例提供的适应多种面型的磁流变抛光装置对玻璃进行抛光，其抛光后的表面质量如图12所示。由图12可知，抛光前玻璃表面的三维粗糙度Sa为1.743μm，经所发明的一种适应多种面型的磁流变抛光装置抛光10min后，其表面粗糙度Sa为0.455μm；抛光20min后，其表面粗糙度Sa为0.119μm；抛光30min后，其表面粗糙度Sa为0.036μm。由此可知，本发明实施例提供的适应多种面型的磁流变抛光装置的抛光效果较好，能够使工件表面粗糙度快速收敛，达到想要的抛光效果。

由图13－图16可知，抛光前玻璃表面比较粗糙，其表面有许多的凹凸峰，表面粗糙度较大。经本发明的一种适应多面型的磁流变抛光装置抛光10min后，玻璃表面得到很好的改善，其表面的凹凸峰被快速去除，出现较为平整的平面，但有较为粗大的划痕未被去除。经本发明的一种适应多面型的磁流变抛光装置抛光20min后，玻璃表面的粗大划痕及凹凸峰基本已被去除，其表面仅有粗大划痕的浅印。经本发明的一种适应多面型的磁流变抛光装置抛光30min后，玻璃表面粗大划痕的浅印也被去除，整体质量较好。

在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上；术语“上”“下”“左”“右”“内”“外”“前端”“后端”“头部”“尾部”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”“第三”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，凡在本发明的精神和原则之内所做的任何修改、等同替换和改进等，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种适应多种面型的磁流变抛光装置，其特征在于，包括：

机架，用于对整体装置进行支撑；

抛光头系统，安装在XYZ轴运动系统的Z轴主滑块上，用于利用带微孔结构的抛光盘对工件进行抛光；

XYZ轴运动系统，固定在机架上，用于控制抛光头系统XYZ三向的运动，使其到达工件表面的任意位置，且实现抛光头系统的往复运动；

AC轴运动系统，固定在机架上，用于控制不同面型的待加工工件的自转和公转，使其在抛光区域与抛光盘始终处于平行位置；

磁流变液循环系统，安装于抛光头系统及磁流变液收集盒上，用于通过软管和蠕动泵完成磁流变液的循环更新；

加工性能监测系统，安装于工件盘主轴上，用于实时监测磁流变抛光过程中工件所受的扭矩和压力；

所述XYZ轴运动系统包括X轴运动系统、Y轴运动系统和Z轴运动系统；

所述X轴运动系统、Y轴运动系统和Z轴运动系统均包括有驱动电机、双膜片联轴器、滚珠丝杠、滑块、导轨、丝杠螺母、双膜片联轴器固定架、滚珠丝杠固定架；

所述X轴运动系统通过双膜片联轴器固定架和滚珠丝杠固定架固定在机架上；所述Y轴运动系统通过螺钉固定在X轴运动系统的滑块上；所述Z轴运动系统通过螺钉固定在Y轴运动系统的滑块上，所述Y轴运动系统还包括导轨基板，所述Z轴运动系统还包括Z轴主滑块；

所述AC轴运动系统包括A轴驱动电机、C轴驱动电机、减速器、左侧支撑架、左侧转轴、右侧支撑架、右侧转轴、转台、法兰盘轴承座支撑板、法兰盘轴承座、第一工件盘主轴、第二工件盘主轴、工件盘、待加工工件粘贴盘；

所述左侧支撑架通过螺栓固定在机架上，减速器通过螺钉固定在左侧支撑架左侧；A轴驱动电机通过螺钉固定在减速器左侧，并处于同一平行位置；右侧支撑架通过螺栓固定在机架上，并与左侧支撑架处于平行位置；转台通过左侧转轴和右侧转轴固定在左侧支撑架和右侧支撑架上；

所述C轴驱动电机和法兰盘轴承座支撑板通过螺钉固定在转台上，法兰盘轴承座通过螺钉固定在法兰盘轴承座支撑板上，并与C轴驱动电机同心；所述第一工件盘主轴与C轴驱动电机通过键连接；所述第二工件盘主轴安装在工件盘下方，并与之同心；待加工工件粘贴盘与工件盘通过键槽配合固定，工件盘位于磁流变液循环系统的收集盒内，待加工工件通过石蜡固定在待加工工件粘贴盘上侧；

所述加工性能监测系统包括第一联轴器、第二联轴器、扭矩传感器、扭矩传感器支架、压力传感器和电脑；

所述压力传感器安装在AC轴运动系统的法兰盘轴承座支撑板中心；

所述第一联轴器与AC轴运动系统的第一工件盘主轴连接；

所述扭矩传感器与第一联轴器连接，并通过扭矩传感器支架固定；

所述第二联轴器与扭矩传感器和AC轴运动系统的第二工件盘主轴连接；

所述扭矩传感器支架与AC轴运动系统的法兰盘轴承同时固定在法兰盘轴承座支撑板上；

所述压力传感器和扭矩传感器的信号采集线分别与电脑连接。

2.如权利要求1所述的适应多种面型的磁流变抛光装置，其特征在于，所述抛光头系统包括支撑架、主轴驱动机构、行星轮运动装置、磁场发生装置和带微孔结构的抛光盘；

所述支撑架与XYZ轴运动系统的Z轴主滑块固定连接，所述主轴驱动机构安装在支撑架上，用于驱动抛光盘主轴的转动；所述磁场发生装置、抛光盘和行星轮运动装置均安装于抛光盘主轴上，所述磁场发生装置设置于行星轮运动装置和抛光盘之间，所述行星轮运动装置用于调整抛光盘和磁场发生装置的转动速度。

3.如权利要求2所述的适应多种面型的磁流变抛光装置，其特征在于，所述主轴驱动机构设置有主轴驱动电机、主轴驱动电机轴、主轴驱动电机同步带轮、抛光盘主轴同步带轮和同步带，所述主轴驱动电机同步带轮安装在主轴驱动电机轴外侧，主轴驱动电机同步带轮通过同步带与抛光盘主轴同步带轮连接；

所述抛光盘主轴和主轴驱动电机均安装于支撑架上，抛光盘安装于抛光盘主轴的末端上，抛光盘表面带有微孔结构。

4.如权利要求3所述的适应多种面型的磁流变抛光装置，其特征在于，所述行星轮运动装置设置有外齿轮固定架、外齿轮、太阳轮和行星轮，所述外齿轮固定架上端通过外齿轮固定架支架与支撑架连接，所述外齿轮与外齿轮固定架过盈配合，并通过螺钉固定；外齿轮固定架通过外齿轮固定架支架与抛光头系统的支撑架固定连接，以限制外齿轮的转动；太阳轮安装于抛光盘主轴上，通过键连接传动，并与外齿轮处于同一高度；行星轮安装于圆柱形磁铁固定盘上的凸起上，并啮合于太阳轮和外齿轮之间；

所述磁场发生装置包括圆柱形磁铁、圆柱形磁铁保持架和圆柱形磁铁固定盘，圆柱形磁铁安装于圆柱形磁铁固定盘上，并通过圆柱形磁铁保持架二次固定。

5.如权利要求1所述的适应多种面型的磁流变抛光装置，其特征在于，所述磁流变液循环系统包括储液罐、搅拌器、蠕动泵、旋转接头、旋转接头固定架、进液管、出液管、收集盒和抛光盘主轴；

所述储液罐、搅拌器、蠕动泵固定在机架一侧，储液罐通过进液管和蠕动泵与旋转接头连通，进液管与旋转接头固定连接，旋转接头下端与抛光盘主轴的中心孔连通；

搅拌器下端位于储液罐中，用于对储液罐中的磁流变液进行搅拌；

所述收集盒底部通过出液管与储液罐连通。

6.一种应用权利要求1~5任意一项所述的磁流变抛光装置的适应多种面型的磁流变抛光方法，其特征在于，所述适应多种面型的磁流变抛光方法包括：

打开适应多面型的磁流变抛光装置的电源；

启动电脑，打开整机的控制系统及加工性能监测系统；

将待加工工件通过石蜡固定在抛光装置的待加工工件粘贴盘上，并将其通过键槽配合固定在工件盘上；

通过控制系统调整抛光头系统的位置，从而获得待加工工件与带微孔结构的抛光盘的预设间隙；

打开蠕动泵和搅拌器开关，通过进液管和旋转接头将储液罐内的磁流变液输送到待加工工件与带微孔结构的抛光盘的间隙中，并在磁场发生装置的作用下形成柔性的抛光膜；

将所需的加工路径和工艺参数通过电脑的控制系统传递给整机的各个驱动电机，使得整机开始按照既定的加工轨迹和工艺参数抛光工件；

磁流变液在磁场的作用下通过磁场发生装置与带微孔结构的抛光盘的差速运动作用和工件盘转动产生的离心作用实现抛光区域的磁流变液更新，然后通过收集盒回收未被磁化的磁流变液；

在整机抛光的过程中，压力传感器和扭矩传感器将实时采集的关于待加工工件加工性能的数据传递到电脑进行显示记录。

7.如权利要求6所述的适应多种面型的磁流变抛光方法，其特征在于，所述待加工工件的面型是曲面、平面和平曲混合面，通过设置XYZ轴运动系统和AC轴运动系统的运动轨迹实现多种面型的工件的抛光。