曲面柔性抛光技术中磁流变液扭矩伺服装置的应用外文翻译资料

曲面柔性抛光技术中磁流变液扭矩伺服装置的应用

摘要：目前常用于柔性抛光技术中的控制方法有两种，一种是改变抛光刀具（或冲头）的方向以适应零件的曲面，另一种是改变曲面上的伺服力。 但是位置角和力之间的矛盾很难解决。 在本文中，介绍了通过使用磁流变流体（MRF）阻尼器控制抛光刀具的位置和力的方法。 由于MRF阻尼器可以输出不受位置和角度影响的恒定扭矩，并可以改变恒定扭矩的值，因此可以与CNC编程技术相结合，形成一个完整的柔性控制系统。 在原型系统上的实验表明，它具有足够的刚度和快速和稳定的扭矩变化速度，以保证在回转曲面的抛光过程期间有恒定的抛光压力和刀具角度。

关键词：磁流变流体，恒定扭矩，回转曲面，柔性抛光

1. 介绍

机械部件中约40％的表面由诸如球形，圆柱形或椭圆形表面的回转表面构成。 虽然这些表面易于在NC机器上加工，但是难以获得高的表面质量。 通常它们的处理操作分为两个阶段。 第一阶段被称为粗加工，即使用切削刀具进行切削并且获得工件的大致形状。 第二阶段称为精加工，包括研磨和抛光，应在超精密机床进行或手动进行。 在复杂模具的加工过程中，曲面的精加工仍然基本上用手工完成，并且该过程所花费的时间超过总工时的一半。 因此，在NC机器上的柔性制造方法代替了复杂旋转曲面的耗时的手动精加工，该项课题具有重要的研究价值。

2. 表面柔性抛光原理

有许多因素可以影响最终的抛光表面质量，例如正交压力，待加工部位与抛光刀具之间的相对速度，工件材料，冷却剂等。基于参考文献[1]的结果可知，正交压力是最重要的。因此，柔性抛光方法中需要集中控制正交压力。表面曲率的变化导致切割角和压力之间的不匹配，这是压力控制技术中最困难的问题。这意味着控制器不仅必须能够产生满足任何加工尺寸的柔性动力，而且还要保持切削刀具的精确位置。为了克服这个困难，研究人员开发了柔性抛光控制技术来解决这个问题。该技术包括具有良好的弹性，可以适应部件的形状的球轮，尼龙复合粘合剂和精确的控制策略。在抛光过程中，弹性变形和刀具的力如图2所示。

图1. 抛光球头受力分析

在图1中定义了笛卡尔坐标系。 接触点O是坐标原点，与接触表面垂直的x-y平面,z轴指向切平面。 根据胡克定律可知，刀具和工件之间的法向力等于变形Delta;R，乘以球轮的弹性系数K。 因为K的值变化很小，所以它被认为是由球在球体上的材料确定的常数。 如果已知两个接触面的半径和弹性模量，可以通过使用计算点接触力的理论——赫兹定律[2]来计算力。 当力F与接触表面的法线方向一致时，如图1.b 所示，计算很简单。 如果力F与接触表面的法线方向两个向量的方向不同，则力的平衡可以表示为以下等式：

公式表示法向力N由F和切削力与接触表面的法线方向之间的角度确定。 切削力F可以通过抛光系统的可控转矩T来控制。 函数是

根据分析，在进给和抛光过程中有两种方法来保持法向力F的稳定性。第一个是保持角度ϴ和扭矩T恒定，如图2中的B所示。扭矩容易保持稳定，但角度则不同，特别是对这些复杂的回转曲面进行抛光时。该方法认为力和角是两个独立变量。一些以前的研究使用机器人已经得知了该方法可用。由于机器人的刚度低并且不足以抵抗由粗糙地面引起的位置偏移，因此难以获得高质量和高效的抛光结果。

第二种方法认为力和角度是两个相关的变量，应该同步调整。这意味着当抛光头进给时扭矩T也应同时改变。但位置和力的混合控制不能在通用数控（NC）机床上使用。
在本文中，介绍了一种通过使用磁流变液（MRF）阻尼器进行柔性控制的方法。当MRF阻尼器与普通NC机床组合时，前者可以很容易地调整输出扭矩并适应复杂表面，同时NC机床的结构刚度足以抵抗由粗糙地面和振动引起的位置偏移。因此，柔性抛光系统可以获得高刚度，高位置精度，快速响应可控的输出扭矩。

图2. 柔性控制的两种方法

3. MRF转矩伺服装置

A. MRF的组成模型
磁流变液（MRF）是一种悬浮液，主要由母液和可在磁场下磁化的微米级颗粒组成。没有磁场，MRF表现得像牛顿流体。但是当强磁场施加到MRF时，因为颗粒的相互作用（吸引力）影响MRF的流变性质，其机械性能在几毫秒内将改变为固体的机械性能。从流体到固体的变换是可逆的，即当磁场被移除时，MRF将重新变换到其初始状态即牛顿流体状态。由于MRF在提供电子控制和机械系统之间的简单，安静，快速响应接口中的巨大潜在应用，旋转MRF阻尼器已经在机械传输领域和机电系统中引起了相当大的关注度。宾汉模型广泛用于描述MRF的性质。假定产出流体的粘度是常数，应力函数可以表示为下等式：

其中是屈服应力（N / m2），是粘度（Ns / m2）， 是剪切应变速率（1 / s）。

该模型具有概念清晰，计算简单的优点，并且可以适当地用于描述屈服应力和应变之间的关系。

图3. MRF器件的结构

B. MRF装置的结构和阻尼扭矩模型

MRF旋转离合器的典型结构如图3所示。 MRF填充在壳体和阻尼盘之间的间隙中。 当线圈通电时，产生磁路，并按以下顺序循环：阻尼盘，右MRF，右壳，左壳，左MRF，阻尼盘。 因为磁场施加到MRF，母液中的那些微小颗粒彼此吸引并且单独地分散作为链的磁场线方向。 如果盘和壳之间有相对运动，链运动将被停止。 每单位面积的最大防止力称为剪切屈服应力，并且具有屈服应力和磁感应的功能，因此可以容易地通过调节线圈的激励电流来控制它。 输出扭矩的计算式如[4]所示：

（4）

在公式中，第一部分是由磁性引起的阻尼器扭矩，第二部分是由母液的粘度引起的阻尼器扭矩。 当盘的旋转速度不改变并且其比前者小得多时，后者保持恒定。 通常，粘性扭矩可以省略并且不会影响结果。 然后，输出转矩T与剪切屈服应力良好相关，并且当励磁电流固定时，可以看作是恒定值。 在图4中，给出了随时间变化的输出扭矩的曲线，横轴是时间，纵轴是输出扭矩。 该曲线显示当励磁电流恒定并且快速响应于电流变化时输出转矩是稳定的。 当电流变化时，扭矩曲线需经过10个时间单位（采样时间为20微秒）达到稳定，并且曲线平滑且无过载。

图4. 扭矩响应曲线

4. 抛光刀具的进给运动

根据第2节的讨论，抛光刀具姿态控制的关键是保持抛光工具的轴向矢量平行于工件表面的切线方向。

在图5中，原点O位于工件的左侧中心，X轴为工件轴，Y轴为零件的径向，Z轴垂直于纸面。曲线A是工件表面的总线，曲线A上每个点的坐标可以写成（x，y）。 每个点的法线方向为Phi;，则tanPhi;= - dx /dy。 当刀具沿着曲线A滑动并保持抛光工具的轴向平行于工件表面的切线方向时，工具中心的轨迹点必须在曲线B上，即平行于曲线A的曲线。曲线B上的每个点的坐标可以写成（x1，y1），变换公式可以表示为

抛光杆连接抛光工具，图5中的圆圈，进给架，图5中的矩形。抛光杆的长度为L，为了保持杆的轴线平行于工件表面的切平面，进给轨道由一组包络线的端点组成。

在图5中，进给轨迹是虚线C。曲线B上的每个点的坐标可以写为（x2，y2），变换公式可以表示为

根据公式4和公式5，

图5. 机床进给路径

公式6是仅包括已知系数时进给轨道的函数，并且容易通过Mastercam软件生成实际加工程序。 当通过生成的加工程序控制进给托架时，抛光力将保持与抛光表面正交。考虑到抛光表面和抛光杆可能产生干涉，在抛光过程中，抛光杆轴线要具有与工作表面的切平面恒定的角度theta;。 然后公式7可以做如下推广：

5. 实验验证和结果

本研究中，设计了一种表面柔性抛光系统，它基于CNC车床和MRF恒转矩装置，CNC车床读取生成的程序并进给托架，MRF装置输出恒定的可调扭矩。 系统结构如图6所示。

图6. 抛光系统的结构

MRF装置和抛光工具固定在NC车床的特殊托架上，并且进给路径由根据公式7预先生成的G代码的NC控制。MRF装置由马达驱动并且可以向旋转轴输出恒定的扭矩，使得抛光工具以恒定的压力按压表面。 在抛光过程中，扭矩传感器采样实际输出扭矩并且负反馈到力控制系统，其可以调节线圈的激励电流来获得期望的抛光压力。
通过这种柔性抛光系统抛光铝球（D = 45mm）。 最终的表面质量可以在图7所示。

图7. 抛光前后的工件表面质量

我们可以发现，那些切割留下的痕迹在抛光后消失了。 转矩的理想（设定）值为1.6N.m，图8为实际输出转矩的偏差曲线。曲线显示最大扭矩差为正负0.04N.m。 由于偏差仅为总扭矩的2.5％，我们可以断言该系统的稳定性明显超过普通伺服电机系统的稳定性。

实验结果表明：在同一台NC车床上，精加工表面质量从粗糙度Ra lt;15um提高到Ra lt;2.2um，并且偏差小于0.2。

图8. 实际输出扭矩的偏差曲线

6. 结论

具有MRF恒定扭矩装置的适应抛光系统具有以下优点：由预产生的G代码控制，抛光杆跟随工件表面，并且抛光力和待加工表面的法向量之间的角度是恒定的。因此抛光力和压力角分为两个独立变量，可以分别调整且调整简单。

当励磁电流恒定时，MRF装置的输出转矩也是恒定的。因为调节过程集中在改变MRF的流变特性，MRF的响应时间在微秒级，力控制系统有效地解决了调速和力稳定性之间的矛盾。

与普通的力控制系统（主要由弹簧和伺服电机组成）相比，MRF系统不受启动，更换和停止的影响。这对于获得完美的抛光表面质量非常有帮助。
在本文中，提出了一种基于用于复杂旋转表面的MRF装置的抛光技术的尝试，并进行了分析和测试。该技术是智能材料设备和数控设备的结合，有助于表面加工自动化的革命。实验结果非常令人满意，并且很容易看出柔性抛光系统是如何改善了表面质量。

参考文献

[1] Ming M.W., Jian M. Z., Jian B.Z.. Study on Compliant Control by Cutter Radius Compensating for Rotating Curved Surfaces Polishing on NC Lathes, KEM. 2009.

[2] Susendar Muthukumar and Reginald DesRoches. A Hertz contact model with non-linear damping for pounding simulation, Earthquake Engng Struct. Dyn. 2006;

[3] Kordonsky, et al. Physical Properties of Magnetizable Structure-reversible MediaˈJ. Magn. amp; Magn. Materˈ1990

[4] Cui Z., Di Z., Research on Rotary Disc Type MRF Dampers with Nonhomogeneous Magnetic Fields, KEM. 2009.

[5] General specification for permanent direct current torque motors, GB/T 10401-2008

同时控制刀具姿态和串并行机构在未知曲面的抛光力的抛光机设计

Yuta Oba, Yuki Yamada, and Yasuhiro Kakinuma

Keio University, Department of System Design Engineering

3-14-1, Hiyoshi, Kouhoku, Yokohama, Kanagawa, 223-8522, Japan

Email:ohba@ams.sd.keio.ac.jp,yamada@ams.sd.keio.ac.jp,kakinuma@sd.keio.ac.jp

摘要：在汽车制造的喷漆工艺中，修复抛光的抛光工艺是由工人用熟练的技术手工完成的。然而，技术工人的数量随着有用精练技术工人的老化而减少。并且，修理抛光后的抛光时间和表面质量取决于工人的熟练程度。因此，需要有用于修复抛光的自动化技术。在我们过去的研究中，开发了串联-并联机构抛光机，以同时控制刀具轨迹，刀具姿态和抛光力。此外，从技术人员获得了熟练的抛光技术，并且使用显影机在平坦表面上复制了熟练的抛光技术。本研究旨在通过控制刀具姿态和沿表面法线方向的抛光力来开发用于未知曲面的抛光方法。在抛光实验结果中，准确地在未知曲面上沿法线方向控制了刀具姿态和抛光力。最后，通过在未知曲面上使用所开发的控制方法和抛光复制方法，在未知曲面上重现了熟练的抛光技术。

关键词：抛光，并行机构，复制，未知曲面

1. 介绍

在汽车制造的涂装工艺中，具有高粘弹性的尖端聚合物被应用于汽车车身涂装，以防止划伤车身。 另一方面，应用粘弹性聚合物与车身涂装使得汽车车身的修复抛光过程变得困难。 因此，作为修复抛光工艺之一的抛光工艺是由具有足够熟练技术的工人手工完成的。 然而，技术工人的数量随着熟练工人的老化而减少。 此外，抛光时间和修复抛光后的表面质量取决于工人的熟练程度。 因此，在汽车工业中需要有用于修理抛光的独立自动化技术。

在我们过去的研究中，开发了串联 - 平行机构抛光机和熟练的抛光复制系统。 研制的抛光机基于干扰观测器（DOB），抛光力观测器（PFOB）和使用方形矩阵的模态解耦方法，能够控制刀具轨迹，刀具姿态和抛光力。 为了复制熟练的抛

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