模具曲面自动研磨设备的组成及技术分析

来源：塑胶五金网发布时间：2014-03-20 09:52:58点击率：

　　在市场竞争日益激烈的今天，产品周期越来越短，模具制造业面临严峻的挑战。在模具制造过程中，表面研磨和抛光占模具总加工时间的1 /3到2 /3.目前大量的研磨抛光工作都是由手工完成的，费时费力且加工质量差。制约了我国模具加工向更高层次发展。因此，研究研磨抛光的自动化、智能化是模具加工的重要发展趋势。

　　本文设计了一种用于模具自由曲面自动研磨加工的实验装置，并提出了基于模糊控制理论的变转速自动研磨模具自由曲面的加工方法，对等去除量自动研磨曲面时砂轮转速进行了仿真研究，提出了变转速研磨曲面的新技术，并通过实验验证，该技术基本解决了曲面研磨中去除量不均的难题，为提高自动研磨模具曲面的加工质量提供了技术保障。

　　1模具曲面自动研磨装置的组成及工作原理1. 1装置的组成该自动研磨系统由JCS2018A立式加工中心、计算机、调速、调压子系统、研磨装置等构成，如所示。加工中心控制研磨运动过程的轨迹，研磨装置是系统执行机构，调压、调速子系统是系统控制环节，控制砂轮研磨的转速和压力，计算机实现控制信息的传递，一是传递CAM软件生成的研磨轨迹数控程序，二是传递速度控制指令，研磨工具选择球形研磨砂轮。

　　1. 2装置的工作原理本装置是通过按模具轮廓路径控制的同时，进行自动研磨。

　　自动研磨模具曲面时，利用机床的自动进给功能从Z轴方向控制研磨工具靠近被研磨工件，工具在设定适宜高度处停止，进入工作结束后，调整研磨压力，同时启动电机和加工中心循环启动电钮，按照输入的曲面几何条件进行路径控制，经过规定次数的研磨后，研磨装置随加工中心主轴自动向上移动，脱离工件到设定高度，这一系列动作只需要几个程序段即可完成。

　　研磨工具采用球状砂轮，砂轮研磨自由曲面时，研磨点处的压力、线速度随模具曲面几何形状的变化而变化，通过调压和调速子系统，控制研磨压力和线速度，以保障模具曲面自动研磨表面加工质量的稳定性。调整电机转速即可控制研磨点线速度。砂轮磨损可由压力系统自动进行补偿。

　　2模糊控制器的设计由于对模具自由曲面加工过程中，为达到等却除量加工曲面，砂轮的转速和曲面斜率是相关的，需要时刻调整砂轮的转速来达到加工均匀，保证模具表面质量一致的目的。但曲面斜率是时刻变化的，其变化规律难以用精确的数字模型描述，而模糊控制是用模糊集合论将人们在实践中获得的控制经验形成的语句规则直接转化为自动控制策略，它不要求有精确的数学模型，对参数变化不敏感，很适合加工要求。

　　作者在长期操作经验基础上，为达到研磨去除量均匀的目的，得到如下重要启示：如果加工曲面斜率较大，应该降低砂轮转速，曲面斜率越大，转速降的越多;如果加工曲面斜率较小，应该提高砂轮转速，曲面斜率越小，转速提高越多;如果加工曲面斜率变化不大，可大体保持砂轮转速不变。

　　含模糊控制器的系统方框图如所示。θ其中为工件曲面切线倾角(本系统适用范围0°～45°);S为工作曲面倾角假定标准值，根据实验中积累的经验，取θ运用范围中值为2215°，Y为输出砂轮转速。

　　选用曲面切线倾角θ(反映斜率大小)与假定标准S (S = 2215°)的偏差e =θ- S作为输入语言变量，输出语言变量可选用砂轮转速变化量u，这样就为砂轮转速控制系统选定了一个单输入、单输出的模糊控制器。

　　2. 1精确量的模糊化由上述关系计算偏差e的变化区间为< - 2215°， 2215°>，并采用NB (负大) ， NM (负中) ， NS (负小) ， ZO (零) ， PS (正小)，PM (正中)， PB (正大)7个模糊状态来描述输入量偏差e，输出量u的变化区间为< - 400， 400 >，同样采用NB (负大) ， NM (负中) ， NS (负小)，ZO (零)， PS (正小)，PM (正中)，PB (正大)7个模糊状态来描述输出量u，则e和u的模糊子集分别为：e～= {NB， NM ， NS， ZO， PS， PM ， PB } u～= {NB， NM，NS， ZO，PS，PM ，PB }选择适当的量化因子，输入量e的量化因子K e = 4 2215，输出量u的比例因子K u = 400 4 = 100.

　　通过两个量化因子，可以将e和u转换到对应的论域E和U中，E = { - 4， - 3， - 2， - 1，0，1，2，3，4 };U = { - 4， - 3， - 2， - 1，0，1，2，3，4 }

　　2. 2确定模糊控制规则本模糊控制器为单输入单输出型，根据控制经验，其控制规则表述为：IF e～THEN u～将这些控制经验归纳后，即可得出模糊控制规则状态表如所示。

　　由于单输入单输出的控制系统采用“IF e～THEN u～”来描述，因此模糊关系R～= e～×u～为一个9×9矩阵，如所示。有了模糊关系R～，就可求出控制量u～= e～R～然后，按照“峰域中心值”法进行解模糊处理，得到确切响应值则e和u得对应。在实际应用中，是把上表的内容编入控制程序中，在运行时通过调入查找查询表的子程序，实现自动研磨过程的模糊控制。

　　2. 3等去除量条件下自动研磨砂轮转速仿真利用本系统自动研磨查询程序流程图，其中p是曲面倾斜角2215°时的砂轮转速，其大小与工件研磨前原始基础面状况、表面加工要求及工件硬度等综合情况相关。输入， AB为凹面， BC为凸面，可以得到等去除量自动研磨过程砂轮转速控制曲线，如所示。

　　3实验验证根据转速仿真试验结果，对所示工件进行变转速自动研磨实验，工件材料45号钢，工件表面原始粗糙度是6～7μm之间，砂轮进给沿工件曲线方向，研磨4次，实验结果如所示，其中纵坐标相对变化平稳的曲线为变转速加工结果，而相对变化剧烈的曲线为等速加工结果。为由图可知，等速研磨时，在工件表面曲率半径较大处，工件去除量也较大，曲率半径小，去除量也小，这是因为在曲率半径较大的地方，砂轮线速度大，同时，加工压力也较大，因此随着工件曲率半径的不同工件表面去除量很不均匀，根据砂轮仿真速度曲线进行变转速研磨，工件表面去除量较为均匀，两种研磨过程工件表面粗糙度基本一致，这是因为工件表面粗糙度是由砂轮本身特性决定的。可以看出：变转速研磨加工方法基本上可使去除量D e均匀，同时，表面粗糙度Ra基本上可保持不变。

　　4结语本文利用自行设计的自动研磨系统对变转速研磨转速进行了仿真与实验研究，得到结论如下：(1)该装置具有结构简单，操作方便，成本低等突出优点，基于模糊控制原理，针对不同工件曲面形状进行变转速仿真，利用仿真结果和该装置实现变转速研磨，结果表明：工件曲面去除量均匀，表面粗糙度一致，提高了表面加工质量。

　　(2)利用该装置进行变转速研磨加工，工件表面粗糙度可以达到110μm，完全可以在此基础上更换抛光轮进行抛光精加工，从而实现代替手工研磨，实现模具曲面自动化精加工的需要，为下一步实用性研究打下基础。

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