2002年(第十届)全国机床专业学术会议弹性机构及计算机控制的金刚石表面研磨傅惠南王晓红姚强广东工业大学机电学院，广州510090摘要:本文通过采用计算机对步进电机运动的控制，从而带动磨盘在平面内作特定轨迹的研抛；设计加力机构和金刚石固定机构使金刚石与磨盘间具有适当的弹性接触，使机构适应高精度平面的研抛。实验考察金刚石磨损过程,并通过显微镜观测对该计算机控制金刚石高精度表面研抛方法进行研究。关键词：计算机控制;步进电机;金刚石;研磨中图分类号：TG580TH161具有一定精度要求的机械零件，常常以磨削作为最终精加工手段，而对于要求更高的表面，通常需要采用研抛方法。即通过磨削达到零件要求的尺寸精度、形位精度以及相应表面粗糙度和表面加工变质层要求,再通过研磨进一步提高零件的表面精度和降低表面粗糙度值。对于这一类既要求有很高尺寸精度、形位精度，又要求有高表面质量的零件，通常需要通过高精度机床设备、严格的工艺和加工条件制作，因此也就相对地加工难度大、产品附加值高。例如一把良好刃磨的金刚石刀具，制作就十分困难，以至于在我国还需要通过进口，解决这类高精度产品需求。高精度金刚石表面的获得，通常也是采用研抛方法。例如金刚石钻戒表面最后的加工工序通常采用研磨，方法是将加工后或选择后的原石粘接在料杆上，再将料杆夹紧在机械手中，通过手持机械使原石与高速回转并涂有金刚石研磨剂的铸铁盘形成研磨。这种方法很难控制研磨过程，从而不能控制研磨精度。本文提出一种采用弹性机构，通过计算机控制来获得高精度金刚石表面的研抛方法。1高精度金刚石研抛机构研抛过程经常涉及到研抛机械运动精度以及运动轨迹问题。在生产中，通常通过设计精密的机床以及设计机床的运动轨迹来保证。任意轨迹或轨迹不重复以及轨迹复杂的研抛运动，若由机床或机构直接实现，会使得机床设计成为一个非常复杂的课题。为克服此类问题，本研究中提出采取计算机轨迹控制思路，进行初步的实验研究。图1是计算机研抛轨迹控制的金刚石表面研磨机构原理图。水平面x、y方向上分别装有两个独立的步进电机，通过步进电机分别驱动x、y方向上的丝杠，使研磨工作台能够在水平面上根据需要产生任意的运动。需要的运动轨迹可以通过计算机产生或设计，然后分别控制x、y方向上的电机实现。被研磨的金刚石颗粒固定在垂直于研磨台1图1金刚石表面研抛机构原理图基金项目：国家教育部留学回国人员科研启动基金(00-367)，广东省自然科学基金(010033)2002年(第十届)全国机床专业学术会议面的杆上，因此研磨台的平面运动相对于金刚石表面就形成了相对研磨运动。这种方式，由于被加工的金刚石固定，其被加工表面相对运动磨粒保持位置不变，容易保证加工表面的平面精度要求。刚性好的弹簧片图1中，为在高精度研磨中保证在垂直于研磨盘方向上有适当的加工载荷并且载荷能够调节、适应，本研究中设计采用了载荷可自动调节的弹性机构。如图2所示，利用刚性良好的弹性薄片将固定金刚石的杠件与研磨机构本体连接。固定金刚石颗粒的杆上方设置有施加载荷的小装置，载荷大小可根据需要确定。在本探索实验研究中，为使机构简化采用添加砝码的方法调节施加图2弹性加载机构载荷力的大小。这样，设计的机构在研磨过程中由于金刚石固定杆与机架之间有弹性良好的刚片连接，在研磨平面方向上既保证机构有足够的刚性，又使研抛过程中金刚石颗粒与磨具之间在垂直方向上具有弹性性质，从而根据研抛面接触状态使磨粒切削深度得以自动调整，适应高精度表面研抛加工要求。在金刚石表面研磨实验中，根据加工过程需要在研磨台上分别固定砂纸、金刚石研磨盘进行金刚石表面研磨以及采用皮革或绒布配以金刚石膏、氧化铝微粉等进行金刚石表面抛光。研抛速度和轨迹通过计算机对步进电机的控制加以改变。2计算机控制系统步进电动机的动作与控制脉冲有关。根据控制脉冲信号来控制相绕组的开通与关断，从而使电机产生步进运动。本文直接根据要求生成的研磨运动轨迹，由微型计算机输出相应指令，即产生控制步进电动机动作的环形分配编码，控制步进电机。整个驱动控制系统原理如图3所示。计算机I/O接口卡驱动器／电源步进电动机X-Y工作台图3步进电动机驱动控制系统2.1硬件控制系统整个系统由计算机通过Ｉ/Ｏ口向驱动器提供控制步进电动机动作的环形分配编码,再由驱动器控制相绕组通断,完成步进电动机的动作。具体包括：(1)计算机硬件和软件系统。在硬件上,采用个人计算机;软件就是控制程序。在控制程序的控制下,计算机通过Ｉ/Ｏ口向驱动器提供步进电机的环形分配编码。也就是说,整个系统的所有控制信号都由计算机发出。因此,计算机成为整个控制系统的核心。(2)