基于華中數控的磁流變拋光機床工藝過程設計與開發*

唐小會 陳 華 鄭永成 羅 清 黃 文 吉 方

(中國工程物理研究院機械制造工藝研究所，四川 綿陽 621900)

磁流變拋光是近十多年才發展起來的一種高確定性柔性拋光技術，是獲得超光滑光學表面的理想工藝之一「1-3］。它主要利用磁流變拋光液在高強度梯度磁場時變成具有粘塑性的Bingham 介質，形成具有一定形狀與硬度的“柔性磨頭”，通過控制柔性磨頭與工件之間的相對運動，在柔性磨頭與工件表面相接觸的區域產生很大的剪切力，從而實現對工件表面材料的去除［4］。

磁流變拋光使用的刀具是“柔性磨頭”，而“柔性磨頭”不同于常用的加工刀具，目前數控機床加工中仍普遍采用的手動試切對刀法不適用于柔性磨頭的對刀。常規的手動標定方法很難避免人為因素如操作方法、技能等的不同所帶來的標定結果的不一致，而采用普通的測量方法也很難實現“柔性磨頭”的精確測量，因此必須基于通用數控系統開發與“柔性磨頭”相關的專用功能:自動標定磨頭尺寸、精確建立磨頭與工件之間的相對幾何關系，以便自動建立工件坐標系為磁流變拋光實現數控編程奠定基礎。

1 磁流變拋光的工藝特點

磁流變拋光是一種計算機控制的確定性拋光過程［5］，基于計算機控制光學表面成型(CCOS)的工藝方法，在確定材料去除模型的基礎上，結合加工前測量的工件面形，根據選定的駐留時間計算方法，計算出駐留時間并完成路徑規劃，然后通過數控機床完成加工過程。磁流變拋光過程中，浸入深度是影響拋光效率以及元件表面粗糙度的重要因數之一［6］。為了保證加工結果面形與預期面形的一致性，必須保證加工過程中拋光輪和工件之間的恒定間隙，即需要保證柔性磨頭的一致性和準確性，因此實際加工過程中，柔性磨頭需要精確標定，工件需要準確定位。

2 柔性磨頭標定機構

根據上述工藝過程描述可知，在相同工藝條件下，需要對柔性磨頭的高度進行精確標定。在拋光頭結構設計中增加柔性磨頭標定機構輔助實現磨頭精確標定［7］。柔性磨頭標定機構包括高精度測量探頭和探頭移動機構兩大部分，如圖1 所示。探頭移動機構安裝在帶動拋光輪Z 向移動的機床Z 向執行機構上，并且探頭移動機構可以相對于Z 向執行機構(拋光輪)上下運動，從而實現測量探頭在兩個工作位置(工作位、準備位)之間切換。測量探頭的工作位置與拋光輪下面拋光點W 的高度差H 是恒定的，并通過機械結構保證。在進行柔性磨頭標定和工件位姿測量等輔助工藝工程時，探頭移動機構相對于Z 向執行機構(拋光輪)下降，測量探頭處于工作位(如圖1);在進行光學元件拋光時，探頭移動機構相對于Z 向執行機構(拋光輪)上升，測量探頭處于準備位(如圖1)。

3 工藝過程設計

3.1 柔性磨頭標定工藝設計

柔性磨頭標定采用對刀器、雷尼紹高精度測量探頭結合機床的G 指令和M 指令功能實現緞帶自動化標定流程。操作者在圖形化的緞帶標定界面(如圖2)根據去除率輸入緞帶厚度P 和控制磨頭的循環系統參數，并啟動磨頭循環系統。監測循環系統的工藝參數，等待循環系統穩定后，啟動“緞帶厚度標定”自動程序，用對刀器效驗實際緞帶厚度與設定緞帶厚度是否相同。如果標定緞帶厚度與設定值相同，標定過程結束;如果實際緞帶厚度偏小或偏大，調整磨頭控制參數，然后繼續等待循環系統穩定后觀察實際緞帶厚度，直到實際緞帶厚度與設定緞帶厚度相同，以保證緞帶厚度達到光學元件拋光工藝要求。緞帶標定操作流程如圖3 所示。緞帶標定流程中“標定緞帶厚度”是影響緞帶標定結果一致性的關鍵環節。

緞帶標定操作流程中“標定緞帶厚度”步驟的具體流程是:首先探頭移動機構(如圖1)帶動測量探頭下降到探頭工作位，機床Z 向執行機構(如圖1)向下移動Z 軸，帶動安裝在Z 軸上的測量探頭向下接觸水平安裝的對刀器，精確標定測量探頭接觸對刀器時的位置并記錄坐標Z0，測量探頭上升到探頭準備位，機床Z 向執行機構向下移動Z 軸，帶動安裝在Z 向執行機構上的拋光輪向下移動，同時帶動拋光輪上的緞帶向下移動，逐步接近對刀器，直到拋光輪工作點W 下降到Z0 -H+P 位置時停止，此時拋光輪工作點W 與對刀器之間的距離正好為設定的緞帶厚度P?！皹硕ň剮Ш穸取杯h節的運動步驟繁多，采用手動方式實現比較繁瑣，而且容易引起因操作失誤導致的拋光輪碰撞等安全隱患。而緞帶厚度是影響磁流變拋光去除率的重要參數之一［7］，把“標定緞帶厚度”設計為固定循環G 指令可以有效提高機床的易操作性和安全性，而且保證了緞帶標定結果的一致性。

3.2 工件位姿測量工藝設計

磁流變拋光是一種計算機控制的確定性拋光過程，因此需要建立精確的工件坐標系，即建立光學元件拋光的磨頭相對元件加工起始點在機床坐標系的位置坐標。

由于大型光學元件一般為400 mm ×400 mm 左右，尺寸較大，在水平工作臺上對稱安裝比較困難。為簡化元件裝調難度，采用柔性磨頭標定機構中的高精度測量探頭分別測量光學元件的XY 上端面、YZ 左端面、YZ 右端面、ZX 前端面、ZX 后端面等5 個端面，并實時記錄各測量點的X、Y、Z 坐標，然后結合測量探頭與磁流變拋光磨頭之間的位置關系，通過坐標轉換矩陣建立元件拋光的起刀點在機床坐標系中的位置，并把工件坐標系的值自動寫入G54。工件位姿測量流程如圖4 所示。

不同的工藝路徑規劃策略采用的工件起刀點不同，如常用的螺旋線拋光路徑規劃通常以工件上表面的回轉中心作為工件坐標系原點，之字形拋光路徑規劃通常以工件上表面的左下角作為工件坐標系原點。為簡化操作，把工件位姿測量流程歸一化，針對不同的工藝路徑規劃策略，采用不同的坐標變換方式自動適應工藝規劃對工件坐標系的要求。

4 工藝流程自動化方法

針對不同的數控系統，工藝流程的自動化方法各異。840D 等國外的高檔數控系統針對鉆孔、端面測量等專用流程一般都有通用固定循環G 代碼或宏程序［8］，用戶直接調用或進行適應性改造就可以使用。華中數控目前還沒有針對專用流程設計開發通用的固定循環G 代碼或專用宏程序，必須根據工藝需求自己開發。

4.1 華中數控工藝過程自動化方法

華中數控實現工藝過程自動化的方式主要有三種，一種是數控宏程序，一種是固定循環G 代碼，一種是利用UG、Pro/E、Cimatron、MasterCAM、PowerMILL 等世界知名CAD/CAM 軟件自動編程。由于磁流變拋光專用工藝流程自動化的目的主要在于簡化操作過程，降低操作難度，而且固定循環G 代碼編程方式具有程序靈活性大，容易實現參數化和系列化，程序調試方便等優點，因此采用固定循環G 代碼方式實現工藝流程的自動化。下面詳細介紹用華中數控固定循環G 代碼實現磁流變拋光專用工藝過程的方法。

4.2 華中數控固定循環G 指令開發方法

(1)變量定義

華中數控系統變量分為全局變量、局部變量和系統變量。全局變量的序號為#50～#199;當前局部變量的序號為#0～#49，0 層局部變量為#200～#249，1 層局部變量為#250～#299，以此類推，直到7 層局部變量為#550～#599;系統變量的序號為#600～#1194。對于每個局部變量，可采用系統宏AR［］來判斷該變量是否被定義為增量或絕對方式。

(2)模態數據處理

在循環G 指令編寫時，會使用很多的簡單G 代碼，它們大多數為模態代碼，這就給編程帶來一些潛在的問題，若不對模態數據進行保存和恢復，當退出循環G 指令時，其中的模態G 代碼(數據)會繼續有效。如果主調程序使用的模態G 指令與被調用的固定循環G指令中使用的模態G 指令不一致，就會出現問題，而且很難查找。在循環G 指令編寫時，需要對模態G 指令進行保存和恢復操作，例如G 代碼組01(運動指令，變量#1151)、G 代碼組02(平面選擇，變量#1152)、G代碼組13(尺寸模式，變量#1163)、G 代碼組08(測量單位，變量#1158)等［9］。

5 工藝過程固定循環指令開發

5.1 端面測量固定G 代碼開發

五點端面測量法實現工件位姿測量方法中，每個端面測量流程相同，僅僅是測量端面不同。下面詳細介紹工件位姿測量流程中單個端面測量流程的固定循環指令開發。

(1)宏變量定義

#1 工作臺中心X 坐標

#2 工作臺中心Y 坐標

#3 測量起始點

#4 測量行程

#5 粗測速度

#6 精測速度

#7 快速回退速度

#40 保存G 代碼組02 信息

#1191 NC 程序與PLC 握手信號

(2)端面測量的固定循環源程序

(3)G1042 指令

指令格式:G1042 C--D--E--F--G

C:測量起始點;D:測量行程;E:粗測速度;F:精測速度;G:快速回退速度。

5.2 標定緞帶厚度固定G 代碼開發

(1)宏變量定義

#1 對刀器頂尖點的X 坐標

#2 對刀器頂尖點的Y 坐標

#4 標定行程

#5 標定速度

#7 回退速度

#8 緞帶厚度

#9 Z 軸下降距離

#11 拋光輪工作點W 與測量探頭的X 向坐標差

#12 拋光輪工作點W 與測量探頭的Y 向坐標差

#13 拋光輪工作點W 與測量探頭的Z 向坐標差

#40 代碼組2 模式信息

#1191 NC 程序 與PLC 握手信號

(2)標定緞帶厚度的固定循環源程序

(3)G1045 指令

指令格式:G1045 C--

C:緞帶厚度。

5.3 循環G 指令的調用

將編寫的固定循環指令源代碼移植到系統的USERDEF.CYC 文件中。加工時，通過具體G 指令以參數傳遞的形式調用源代碼程序。對于操作者而言，如測量單個端面只需要調用G1042，并知道各個參數的含義即可。工件位姿測量只需要多次調用G1042并正確設置不同端面的測量參數即可輕松實現。

6 結語

根據磁流變拋光的工藝需求設計了柔性磨頭標定工藝流程和工件位姿測量工藝流程，并設計開發了基于國產華中HNC818B 數控系統的磁流變拋光專用輔助工藝過程固定循環G 指令。應用結果表明用固定循環G 指令方式實現的輔助工藝靈活性好，操作簡單，有效提高了機床的自動化水平和安全性。

［1］楊力.先進光學制造技術［M］.北京:科學出版社，2001.

［2］陳逢軍，尹韶輝，余劍武，等.磁流變光整加工技術研究進展［J］.中國機械工程，2011，22(19):2382 -2392.

［3］彭小強，戴一帆，李圣怡.磁流變拋光的材料去除數學模型［J］.機械工程學報，2004，40(4):67 -70.

［4］康桂文，張飛虎，董申.磁流變技術研究及其在光學加工中的應用［J］.光學技術，2004，30(3):354 -356.

［5］戴一帆，石峰，彭小強，等.光學鏡面磁流變確定性修形的實現［J］.光學學報，2010，30(1):198 -205.

［6］秦北志，楊李茗，朱日宏，等.光學元件精密加工中的磁流變拋光技術工藝參數［J］.強激光與粒子束，2013，25(9):2281 -2286.

［7］鄭永成，黃文，羅清，等.曲面磁流變拋光工藝與拋光頭結構分析［J］.機械設計與制造，2014(7):130 -133.

［8］SINUMERIK 840D sl/840D/840Di sl 循環編程手冊［M］.北京:西門子中國有限公司工業自動化與驅動技術集團，2008.

［9］華中8 型數控系統用戶說明書［M］.武漢:華中數控股份有限公司，2012:205 -218.