CN118237615A - 微米级磨削毛刺去除系统及方法 - Google Patents

Abstract

一种微米级磨削毛刺去除装置及方法，包括：相对设置的一对用于固定伺服阀阀芯的顶尖、设置于一对顶尖一侧的三轴进给系统以及位于其上的自动对刀系统和去毛刺工具系统，其中：三轴进给系统、自动对刀系统和去毛刺工具系统分别与控制模块相连，输出工况信息并接收控制指令。本发明集成顶尖定位、自动对刀、精密进给、去毛刺工具、切削力闭环反馈控制等手段，实现伺服阀阀芯棱边微米级磨削毛刺精准、高效、高质量去除。

Description

微米级磨削毛刺去除系统及方法

技术领域

本发明涉及的是一种机械加工领域的技术，具体是一种微米级磨削毛刺去除装置及方法。

背景技术

电液伺服阀具有结构简单、单位体积输出功率大、工作可靠和动态性能好等优点，因此在液压伺服系统中得到广泛的应用。电液伺服阀广泛应用于航空航天工业，其关键部件加工精度要求极高。阀芯是伺服阀的关键零件之一，也是伺服阀实现电-液转换功能的重要组成零件。阀芯节流工作边配磨是加工伺服阀零件时的关键工序，然而阀芯工作边轴向配磨尺寸不稳定，存在微米级尺寸差异，磨削产生的微小毛刺都是影响零件加工质量的关键问题。现有在线去除微小毛刺的技术缺少水平柔性定位且自动化程度较低。

发明内容

本发明针对现有技术存在的上述不足，提出一种微米级磨削毛刺去除装置及方法，集成顶尖定位、自动对刀、精密进给、去毛刺工具、切削力闭环反馈控制等手段，实现伺服阀阀芯棱边微米级磨削毛刺精准、高效、高质量去除。

本发明是通过以下技术方案实现的：

本发明涉及一种微米级磨削毛刺去除装置，包括：相对设置的一对用于固定伺服阀阀芯的顶尖、设置于一对顶尖一侧的三轴进给系统以及位于其上的自动对刀系统和去毛刺工具系统，其中：三轴进给系统、自动对刀系统和去毛刺工具系统分别与控制模块相连，输出工况信息并接收控制指令。

所述的顶尖，其基座活动设置于导轨上以沿阀芯轴线方向水平移动，从而固定不同长度的待去除毛刺的伺服阀阀芯，保证设置于机床的阀芯轴线水平。

所述的自动对刀系统包括：通过专用夹具固定设置于三轴进给系统上的白光共焦位移传感器、专用夹具和激光光源，其中：白光共焦位移传感器通过锁块固定设置于专用夹具的凹槽内并与控制模块相连，其光源中心与单晶金刚石车刀的刀尖在同一平面上；激光光源设置于白光共焦传感器内部。

所述的去毛刺工具系统包括：设置于XYZ三轴进给系统上的单晶金刚石车刀、动态力传感器、夹具、调节块和桥接板，其中：桥接板设置于三轴运动模组之上，夹具通过调节块与桥接板相连，且夹具能通过调节块上的凹槽调节高度，动态力传感器两端分别与单晶金刚石车刀和夹具相连。

所述的自动对刀是指：控制模块通过单晶金刚石车刀的切削刃和伺服阀阀芯母线的角度，利用光谱共聚焦位移传感器和车刀的位置关系进行换算，实现夹角的检测和控制，具体为：单晶金刚石车刀的切削刃和光谱共聚焦位移传感器相互垂直设置，通过模组运动时位移传感器示数变化获得金刚石车刀切削刃和阀芯母线的夹角。当切削刃与母线平行时，光谱位移传感器距离L1和直线运动模组移动距离L2即为相同的一段距离。当切削刃与母线不平行时，L1和L2则是不同的距离，夹角θ＝arccos(L1/L2)。采用光谱共聚焦位移传感器的最大测量误差为76nm，若移动距离12mm，则硬件本身最大误差θ＝arccos(12/12.00055)＝0.5°，即单晶金刚石车刀切削刃与母线夹角可以实现0.5°的检测精度。

所述的控制模块包括：手动操作单元、运行和监控单元和参数设定单元，其中：手动操作单元根据待去毛刺的目标位置坐标，对刀具运动模组进行控制，运行和监控单元实现扫描跳动、去除毛刺、毛刺检测功能，参数设定单元存储不同尺寸、不同形状的阀芯特征，以数据形式进行保存，以便在运行和监控单元中调出。

技术效果

本发明利用顶尖，保证不同尺寸的伺服阀阀芯安装于机床时的水平定位，确保自动对刀和进给切削过程的轨迹精度。通过优化上位机控制软件，设置手动操作单元、运行和监控单元和参数设定单元，将白光共聚焦位移传感器、单晶金刚石车削刀具和动态力传感器三者准确、高效地联合工作。

附图说明

图1为本发明整体结构示意图；

图中：去毛刺装备基座1、电控箱2、力传感器3、单晶金刚石车刀4、X轴运动模组5、导轨6、固定顶尖7、控制模块8、Z轴升降平台9、位移传感器专用夹具10、活动顶尖11、白光共焦位移传感器12、Y轴运动模组13；

图2为微米级磨削毛刺去除方法流程；

图3为图1局部放大示意图；

图4为去毛刺装备右视图；

图5为实施例阀芯棱边示意图；

图6为实施例效果示意图。

具体实施方式

如图1所示，为本实施例涉及一种微米级磨削毛刺去除装置，包括：相对设置的一对用于确保伺服阀阀芯水平安装于机床的顶尖以及设置于一对顶尖一侧的三轴进给系统以及位于其上的自动对刀系统和去毛刺工具系统，其中：三轴进给系统、自动对刀系统和去毛刺工具系统分别与控制模块8相连，输出工况信息并接收控制指令。

所述的一对顶尖包括：滑动设置的活动顶尖11和固定顶尖7，根据实际待去除毛刺的阀芯长度，将活动顶尖11水平移至合适位置，使之与固定顶尖配合将阀芯沿其轴线水平固定。

所述的三轴进给系统包括：由上而下依次设置的Z轴升降台9、Y轴运动模组13和X轴运动模组5。

所述的X轴运动模组5包括：底座、顶块、读数头、U形电机、端面板、侧板和防尘罩等部件；Y轴运动模组13设置于X轴运动模组5之上并通过转接台相连，其组成与X轴运动模组5类似；Z轴升降台9通过螺纹连接设置于Y轴运动模组13的台面上。

所述的自动对刀系统包括：通过专用夹具10固定设置于三轴进给系统上的位移传感器12、专用夹具10、激光光源，其中：位移传感器12通过锁块固定设置于专用夹具10的凹槽内并与控制模块8相连，其光源中心与单晶金刚石车刀4的刀尖在同一平面上。

所述的去毛刺工具系统包括：设置于三轴进给系统上的单晶金刚石车刀4、动态力传感器3、夹具、调节块和桥接板，其中：桥接板设置于XYZ三轴运动模组之上，夹具通过调节块与桥接板相连，且夹具能通过调节块上的凹槽调节高度，动态力传感器3两端分别与单晶金刚石车刀4和夹具相连。

所述的控制模块8包括：手动操作单元、运行和监控单元和参数设定单元，其中手动操作单元根据待去毛刺的目标位置坐标，对刀具运动模组进行控制，运行和监控单元实现扫描跳动、去除毛刺、毛刺检测功能，参数设定单元存储不同尺寸、不同形状的阀芯特征，以数据形式进行保存，以便在运行和监控单元中调出。

所述的手动操作单元用于手动调节运动模组，将模组使能ON按下后后即可选择不同运行刻度，对运动模组进行控制，为提高使用灵活性，还搭配手轮控制模组运动。设备初始使用时需要点击压力校准按钮将压力清零，手轮X、Y的使能是监控手轮的使用情况。

所述的运行和监控单元将位移传感器扫描的毛刺高度曲线和力传感器采集的切削力大小通过曲线的形式实时显示出来。主要的操作功能模块扫跳动、去毛刺、毛刺检测(向左扫边和向右扫边)均在本单元。常规操作中工人只需要这一个单元即可完成去毛刺任务。加工完成后，点击保存数据软件自动将切削力原始数据、位移变化原始数据、最大切削力以及毛刺最大高度进行保存，为阀芯毛刺切削过程中切削力和毛刺尺寸之间的关系提供数据支撑。

所述的参数设定单元记录并保存加工不同阀芯时所需要的各种输入变量，当有新型号任务时通过手动操作获得相应参数，并将不同阀芯的信息录入之后操作工人在运行和监控界面将相应的阀芯型号调出，即可实现对该型号阀芯的去毛刺加工。

所述的输入变量包括；

1)刀具快速进给速度，即刀具在安全或退刀状态快速运动到指定位置的进给速度；

2)刀具慢进给速度，即刀具即将贴近阀芯棱边并进行去毛刺操作时的进给速度

3)刀具慢进给距离，即刀具即将贴近阀芯棱边并进行去毛刺操作时以慢进给速度向前推进直到阀芯棱边的距离；

4)刀尖到轴心距离，即经过校准后，阀芯轴心和刀尖切削位置的距离；

5)扫跳动等待时间，即扫跳动操作时，平台带动位移传感器运动到指定位置，测量阀芯外圆表面跳动值的测试时长；

6)毛刺宽度扫描速度，即向左/右扫边操作时，平台带动位移传感器以指定的方向平行运动扫过阀芯棱边，扫掠运动时平台的运动速度；

7)毛刺宽度扫描范围，即向左/右扫边操作时，平台带动位移传感器以指定的方向平行运动扫过阀芯棱边，扫掠运动时平台的运动距离；

8)去毛刺等待时间，即左刃/右刃去毛刺时，刀尖运动到指定位置停留的时间；

9)圆跳动阈值，即容许的阀芯圆周跳动最大值，如果超出该值将触发报警；

10)切削力阈值，即容许的扫毛刺切削力最大值，如果超出给该值将触发报警；

11)标准轴直径，即校准用标准轴的规格。在校准刀尖与阀芯轴心距离时，利用标准轴替代阀芯，通过接触时对刀来计算该距离；

12)镜头焦距位置，即刀具中心轴线与位移传感器中心轴线两平行线的距离，用于确定系统中刀具和位移传感器的相对位置。

如图2所示，为本实施例基于上述装置的微米级磨削毛刺去除方法，基于以切代磨的阀芯功能棱边亚微米级毛刺去除原理，选择单晶金刚石车刀作为毛刺去除工具，并设置于去毛刺装备；利用两顶尖对待去毛刺阀芯进行定位，并通过电控箱中的电机驱动其绕轴线旋转，利用由位移传感器等组成的自动对刀系统，对微米级毛刺进行在线检测后，对金刚石车刀进行三轴精密进给，精准去除阀芯棱边微米级毛刺的同时，连接于车刀刀柄的精密力传感器实时测量出去毛刺时的切削力，并将切削力数据实时反馈于进给控制系统，实时调控进给距离，以达到平稳可控的去毛刺过程；当去毛刺过程结束后，利用上述微米级毛刺在线检测方法，检查是否达到合格标准。

优选地，在去毛刺加工前，首先沿着高度调节块的凹槽粗调专用夹具的高度，使单晶金刚石车刀4刀尖大致对准阀芯外圆的最外缘面，然后固定专用夹具的位置，转动Z轴升降台9手轮，微调车刀4的高度。微调过程中观察软件页面记录的位移传感器12与阀芯外圆的距离L，数值L最小时即为成功将单晶金刚石车刀4刀尖对中心高。

具体的，对于去毛刺工具系统和切削力闭环反馈控制，采用纳米级刃口的单晶金刚石车刀4，对微米级毛刺进行纯剪切去除，位移传感器12为亚微米级进给运动的单点金刚石刀头实现精准径向定位提供位置控制数据。通过毫牛级动态力传感器3，实现去毛刺过程剪切力的全程监控和闭环反馈控制，根据毛刺高度与剪切力大小，软件自动调整刀头进给运动参数，防止刀尖过切，实现剪切力连续无级调整，满足全系列规格阀芯产品去毛刺需求。

车削毛刺之后快速退刀，退到设定的位置时立即停止，然后用位移传感器12沿阀芯的轴向，即X轴方向，扫描加工阀芯的工作边，从磨削光滑的外圆面到具有毛刺的工作边，位移会发生微小的变化，直到扫过工作边距离超过位移传感器量程。位移的变化值小于阀芯同阀套的配合公差，即表示工作边的毛刺已经去净。若未去净，则重复上述毛刺扫描、去除过程。

经过具体实际实验，针对图5所示的伺服阀阀芯零件功能棱边存在微米级磨削毛刺，包括：

1)加工1号棱边，具体包括：

1.1参数设定与初始化：对于初次加工的阀芯型号，在执行去毛刺之前输入程序控制的外部边界约束条件，包括圆跳动阈值l_runout(2μm)、切削力阀值F_BurrCutLimit(1N)、加工件直径D(mm)、刀具快速进给速度v_fast(mm/s)、刀具慢进给速度v_Yslow(mm/s)、刀具慢进给距离l_Yslow(mm)、刀尖到轴心距离Y_Diatance(mm)、扫跳动等待时间T_runout(s)、毛刺宽度扫描速度v_Xslow(mm/s)、毛刺宽度扫描范围X_Diatance(mm)以及四条棱边位置X1、X2、X3、X4。阀芯参数给定后软件可以进行保存，相同型号无需重新输入，可直接对软件初始化，使模组回到机械原点。

1.2扫跳动：驱动X轴电机以速度v_fast快速运动到X1-0.5位置、Y直线电机以速度v_fast快速运动到Y_Diatance+a-11-D/2位置，使位移传感器光斑落在外圆上，其中a为刀尖和位移传感器镜面Y方向的固定距离，停留时间Trunout(s)，对阀芯外圆跳动进行检测，获取其最大跳动值lrunout(μm)。如果lrunout>lRunoutLimit，系统提示不可去毛刺。

1.3去毛刺X1：直线电机驱动X轴以速度v_fast快速运动到X1-b位置，其中b为刀尖和位移传感器轴线X方向上固定的距离，然后驱动Y轴以速度v_fast快速运动到Y_Diatance-D/2-l_Yslow位置，随后驱动Y轴以速度v_Yslow慢速运动直到Y_Diatance-D/2位置停止，其中：v_YSlow＝0.001·n_core/60(mm/s)，即阀芯每转一周，车刀进给1μm；n_core(rpm)指阀芯的转速。在去毛刺过程中，力传感器实时监测作用在单晶金刚石车刀上的切削力F_BurrCut(N)，当F_BurrCut>F_BurrCutLimit时，立即停止去毛刺并快速退刀。

1.4序后检测：使位移传感器沿着X轴以快速度v_fast移动到X1-0.5位置；之后，使位移传感器沿Y轴以快速度v_fast运动Y_Diatance+a-11-D/2距离使光斑落在阀芯表面，然后驱动X轴以速度v_Xslow并缓慢运动X_Diatance距离。将采样最大值减去最小值即为毛刺高度lMaxBurrAfter(μm)；随后快速退刀。如果lMaxBurrAfter>0.5，系统提示毛刺去除未达到预期效果，请检查刀具是否磨损或设备是否出现其他异常；如果lMaxBurrAfter<0.5，则毛刺去除效果达标。

1号棱边和3号棱边被称为同侧棱边，在磨削时可以在相同的参数下一次加工完成，去毛刺时也均是使用车刀左侧加工。因此1号棱边毛刺去除完成后，选择3号棱边进一步加工。

2)加工3号棱边，具体包括：

2.1去毛刺X3：直线电机驱动X轴以速度v_fast快速运动到X3-b位置，其中b为刀尖和位移传感器轴线X方向上固定的距离，然后驱动Y轴以速度v_fast快速运动到Y_Diatance-D/2-l_Yslow位置，随后驱动Y轴以速度v_Yslow慢速运动直到Y_Diatance-D/2位置停止，其中：v_YSlow＝0.001·n_core/60(mm/s)，即阀芯每转一周，车刀进给1μm；n_core(rpm)指阀芯的转速。在去毛刺过程中，力传感器实时监测作用在单晶金刚石车刀上的切削力F_BurrCut(N)，当F_BurrCut>F_BurrCutLimit时，立即停止去毛刺并快速退刀。

2.2序后检测：使位移传感器沿着X轴以快速度v_fast移动到X3-0.5位置；之后，使位移传感器沿Y轴以快速度v_fast运动Y_Diatance+a-11-D/2距离使光斑落在阀芯表面，然后驱动X轴以速度v_Xslow并缓慢运动X_Diatance距离。将采样最大值减去最小值即为毛刺高度lMaxBurrAfter(μm)；随后快速退刀。如果lMaxBurrAfter>0.5μm，系统提示毛刺去除未达到预期效果，请检查刀具是否磨损或设备是否出现其他异常；如果lMaxBurrAfter<0.5μm，则毛刺去除效果达标。

3)加工2号、4号棱边：1、3两个同侧毛刺切削完成后，同理使用金刚石车刀右侧棱边切削2、4毛刺，操作流程跟上述相仿。

与现有技术相比，本系统的性能指标提升在于：一方面，增加阀芯去毛刺前位于机床的水平定位装置，进一步提升金刚石车刀切削微小毛刺的相对位置精度，保证去毛刺精度和去毛刺后阀芯的形状精度，提高产品合格率。同时，阀芯的柔性固定实现对不同尺寸阀芯、不同位置毛刺的精确定位，满足定制化、多样化、多尺寸范围零件的柔性加工任务。另一方面，开发上位机中系统控制软件，包括手动操作单元、运行和监控单元和参数设定单元，实现各子系统准确、柔性、高效的联合调控，并为设计人员提供数据预存储，为操作人员提供半自动阀芯去毛刺、手动快速进给等功能，为实际生产提供操作规范和操作便利。

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 (8)

1.一种微米级磨削毛刺去除装置，其特征在于，包括：相对设置的一对用于固定伺服阀阀芯的顶尖、设置于一对顶尖一侧的三轴进给系统以及位于其上的自动对刀系统和去毛刺工具系统，其中：三轴进给系统、自动对刀系统和去毛刺工具系统分别与控制模块相连，输出工况信息并接收控制指令；

所述的顶尖，其基座活动设置于导轨上以沿阀芯轴线方向水平移动，从而固定不同长度的待去除毛刺的伺服阀阀芯，保证设置于机床的阀芯轴线水平；

所述的自动对刀系统包括：通过专用夹具固定设置于三轴进给系统上的白光共焦位移传感器、专用夹具和激光光源，其中：白光共焦位移传感器通过锁块固定设置于专用夹具的凹槽内并与控制模块相连，其光源中心与单晶金刚石车刀的刀尖在同一平面上；激光光源设置于白光共焦传感器内部。

2.根据权利要求1所述的微米级磨削毛刺去除装置，其特征是，所述的去毛刺工具系统包括：设置于XYZ三轴进给系统上的单晶金刚石车刀、动态力传感器、夹具、调节块和桥接板，其中：桥接板设置于三轴运动模组之上，夹具通过调节块与桥接板相连，且夹具能通过调节块上的凹槽调节高度，动态力传感器两端分别与单晶金刚石车刀和夹具相连。

3.根据权利要求1所述的微米级磨削毛刺去除装置，其特征是，所述的自动对刀是指：控制模块通过单晶金刚石车刀的切削刃和伺服阀阀芯母线的角度，利用光谱共聚焦位移传感器和车刀的位置关系进行换算，实现夹角的检测和控制，具体为：单晶金刚石车刀的切削刃和光谱共聚焦位移传感器相互垂直设置，通过模组运动时位移传感器示数变化获得金刚石车刀切削刃和阀芯母线的夹角；

当切削刃与母线平行时，光谱位移传感器距离L1和直线运动模组移动距离L2即为相同的一段距离，当切削刃与母线不平行时，L1和L2则是不同的距离，夹角θ＝arccos(L1/L2)。

4.根据权利要求1所述的微米级磨削毛刺去除装置，其特征是，所述的控制模块包括：手动操作单元、运行和监控单元和参数设定单元，其中：手动操作单元根据待去毛刺的目标位置坐标，对刀具运动模组进行控制，运行和监控单元实现扫描跳动、去除毛刺、毛刺检测功能，参数设定单元存储不同尺寸、不同形状的阀芯特征，以数据形式进行保存，以便在运行和监控单元中调出。

5.根据权利要求1所述的微米级磨削毛刺去除装置，其特征是，所述的三轴进给系统包括：由上而下依次设置的Z轴升降台、Y轴运动模组和X轴运动模组；

所述的X轴运动模组包括：底座、顶块、读数头、U形电机、端面板、侧板和防尘罩等部件；Y轴运动模组设置于X轴运动模组之上并通过转接台相连，其组成与X轴运动模组类似；Z轴升降台通过螺纹连接设置于Y轴运动模组的台面上。

6.根据权利要求4所述的微米级磨削毛刺去除装置，其特征是，所述的手动操作单元用于手动调节运动模组，将模组使能ON按下后后即可选择不同运行刻度，对运动模组进行控制，为提高使用灵活性，还搭配手轮控制模组运动，设备初始使用时需要点击压力校准按钮将压力清零，手轮X、Y的使能是监控手轮的使用情况。

7.根据权利要求4所述的微米级磨削毛刺去除装置，其特征是，所述的运行和监控单元将位移传感器扫描的毛刺高度曲线和力传感器采集的切削力大小通过曲线的形式实时显示出来，主要的操作功能模块扫跳动、去毛刺、毛刺检测(向左扫边和向右扫边)均在本单元；加工完成后，点击保存数据软件自动将切削力原始数据、位移变化原始数据、最大切削力以及毛刺最大高度进行保存，为阀芯毛刺切削过程中切削力和毛刺尺寸之间的关系提供数据支撑。

8.根据权利要求4所述的微米级磨削毛刺去除装置，其特征是，所述的参数设定单元记录并保存加工不同阀芯时所需要的各种输入变量，当有新型号任务时通过手动操作获得相应参数，并将不同阀芯的信息录入之后操作工人在运行和监控界面将相应的阀芯型号调出，即可实现对该型号阀芯的去毛刺加工；

所述的输入变量包括；1)刀具快速进给速度，即刀具在安全或退刀状态快速运动到指定位置的进给速度；2)刀具慢进给速度，即刀具即将贴近阀芯棱边并进行去毛刺操作时的进给速度3)刀具慢进给距离，即刀具即将贴近阀芯棱边并进行去毛刺操作时以慢进给速度向前推进直到阀芯棱边的距离；4)刀尖到轴心距离，即经过校准后，阀芯轴心和刀尖切削位置的距离；5)扫跳动等待时间，即扫跳动操作时，平台带动位移传感器运动到指定位置，测量阀芯外圆表面跳动值的测试时长；6)毛刺宽度扫描速度，即向左/右扫边操作时，平台带动位移传感器以指定的方向平行运动扫过阀芯棱边，扫掠运动时平台的运动速度；7)毛刺宽度扫描范围，即向左/右扫边操作时，平台带动位移传感器以指定的方向平行运动扫过阀芯棱边，扫掠运动时平台的运动距离；8)去毛刺等待时间，即左刃/右刃去毛刺时，刀尖运动到指定位置停留的时间；9)圆跳动阈值，即容许的阀芯圆周跳动最大值，当超出该值将触发报警；10)切削力阈值，即容许的扫毛刺切削力最大值，当超出给该值将触发报警；11)标准轴直径，即校准用标准轴的规格，在校准刀尖与阀芯轴心距离时，利用标准轴替代阀芯，通过接触时对刀来计算该距离；12)镜头焦距位置，即刀具中心轴线与位移传感器中心轴线两平行线的距离，用于确定系统中刀具和位移传感器的相对位置。