CN100553879C - 一种能够对工件自动修型的砂带磨削加工方法及装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种能够对工件自动化修型的砂带磨削加工方法及装置，本发明方法由一套自动化设备组成的修型磨削系统，采用智能过程控制，用砂带磨削的方式来实现复杂型面工件的自动化修型磨削加工。本发明装置主要包括控制单元，执行单元和磨削单元等几部分。控制单元包括若干个软件模块，其中磨削修型知识库是核心软件模块，它能够根据输入的各个点的磨削量自动生成各个磨削参数，其他软件模块如路径修正模块根据这些参数，最终生成实际加工路径；执行单元是机器人或是数字机床，它能够接受控制单元的实际加工路径，以生成加工轨迹；磨削单元是砂带磨削机，它能够接受执行单元的指令，完成工件的修型磨削。本发明方法可广泛应用于各种高尺寸精度和具有复杂型面工件的修型磨削加工。
Description
技术领域
本发明涉及一种磨削方法及装置，特别是关于一种能够对工件自动修型的砂带磨削加工方法及装置。
背景技术
在各种切削加工工艺中，磨削加工当属应用范围最广、技术难度最高的一种加工工艺。原因在于无论是金属材料还是非金属材料，凡属高硬度、高韧性的难加工材料，尤其是极端环境条件下应用的特种材料，一般唯有磨削加工能够胜任而别无它法，因此磨削加工工艺在机械加工领域占有中非常重要的地位。
磨削方式主要分为砂轮磨削和砂带磨削。砂带磨削是根据工件形状，用高速运动的砂带及相应的接触方式对工件表面进行磨削的一种新工艺，有“万能磨削”之称。对于复杂型面工件外表面(例如叶片等)的精加工，目前常用的加工方法主要为砂带磨削。这种加工工艺在航空航天、国防、电力、船舶、医疗等领域具有重要且广泛的应用背景，例如，航空发动机、大型汽轮机、燃气轮机、船舶推进器、风力发电机叶片以及航天器舱体外衬耐高温陶瓷材料等的精加工均采用这种加工工艺。砂带磨削在民用产品中应用也很广泛，例如各种贵重艺术装饰品、人造关节、家庭装饰用品(水暖件、灯具等)、乐器和家用电器(手机、MP3、数码相机等的外壳)的表面加工等。
修型磨削加工(conformance grinding)指自动化系统对复杂型面工件外表面进行砂带磨削加工使之达到设计尺寸公差和表面质量的一种精加工过程。复杂型面工件外表面的修型磨削加工在航空航天、国防、电力、船舶、医疗等国民经济重要领域具有广阔的应用前景。在全球范围内，叶片加工精度问题已成为叶片加工行业的关注焦点，修型磨削是有效解决叶片等复杂型面加工精度问题的关键技术。
目前，对于复杂型面的磨削，无论是利用专用磨削机床、数控磨削机床还是机器人磨削，磨削过程中都没有针对磨削量的过程控制，磨削过程主要针对工件的表面粗糙度。与一般的复杂型面磨削系统不同，修型磨削系统除能够保证被加工工件表面粗糙度外，更重要的是在磨削过程中系统需通过路径规划、标定、过程建模、过程参数控制等实现给定磨削量的磨削，使被加工工件通过磨削加工达到设计尺寸公差。因此开发针对复杂型面工件外表面的修型磨削加工系统对提升我国的高精度磨削加工能力、推动国家航空航天领域相关技术发展、促进国家制造业装备的产业升级具有重要意义。
发明内容
本发明的目的是提供一种即使是具有复杂型面的工件，也能够对工件自动修型的砂带磨削加工方法及装置。
为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：一种能够对工件自动化修型的砂带磨削加工方法，其包括以下步骤：(1)设置一包括轨迹规划模块、标定模块、修型磨削知识库、路径修正模块、过程控制模块、执行单元和磨削单元的工件自动化砂带修型磨削加工系统，所述修型磨削知识库包含了磨削量与各个磨削参数之间的关系；(2)将待修型工件上各个磨削点的期望磨削量直接输入所述修型磨削知识库；(3)根据输入的所述各个磨削点的期望磨削量，所述修型磨削知识库自动生成各个期望磨削参数，并分别将所述期望磨削参数输入所述路径修正模块、过程控制系统的和磨削单元；(4)将工件CAD模型输入所述轨迹规划模块，所述轨迹规划模块生成初始磨削加工程序并输入所述标定模块；(5)所述标定模块将初始磨削加工程序转换成执行单元可执行的磨削加工程序，并输入所述路径修正模块；(6)所述路径修正模块根据所述修型磨削知识库生成输入的期望磨削参数，自动修正可执行的磨削加工程序中没有考虑到的修型磨削要求，生成实现修型磨削过程的实际加工路径；(7)将所述实际加工路径输给执行单元，便会生成修型磨削加工轨迹，同时控制磨削单元工作；(8)所述磨削单元实现所述修型磨削知识库规划好的期望磨削参数，最终实现工件自动化修型磨削过程；(9)在修型磨削过程中，所述过程控制模块根据所述修型磨削知识库规划好的期望磨削参数和实际磨削过程参数反馈，控制所述执行单元和磨削单元。
所述修型磨削加工系统中还设置有一磨削量生成模块，如果输入是工件CAD模型，则所述磨削量生成模块通过三维重构后，将所述各个磨削点的期望磨削量输入所述修型磨削知识库。
在所述修型磨削加工系统中设置一测量单元，所述测量单元对实际磨削过程的参数进行测量并反馈给所述修型磨削知识库，根据所述修型磨削知识库规划好的期望磨削参数和实际磨削过程参数的比对，控制所述执行单元和磨削单元。
所述期望磨削参数包括输入给所述路径修正模块的执行单元控制参数，输入给所述过程控制模块的过程控制系统控制参数和输入给磨削单元的磨削单元控制参数。
一种实现上述能够对工件自动化修型的砂带磨削加工方法的装置，其特征在于：它包括磨削量生成模块、轨迹规划模块、标定模块、修型磨削知识库、路径修正模块、过程控制模块、执行单元、磨削单元；所述磨削量生成模块将客户输入的待修型工件上各个磨削点的期望磨削量直接输入所述修型磨削知识库，或将输入的工件CAD模型通过三维重构后生成的各个磨削点的期望磨削量输入所述修型磨削知识库；所述修型磨削知识库根据输入的所述各个磨削点的期望磨削量，自动生成期望磨削参数，并分别将所述期望磨削参数输入路径修正模块、过程控制系统的和磨削单元；所述轨迹规划模块将输入的工件CAD模型生成初始磨削加工程序并输入所述标定模块；所述标定模块将初始磨削加工程序转换成执行单元可执行的磨削加工程序，并输入所述路径修正模块；所述路径修正模块根据所述修型磨削知识库生成输入的期望磨削参数，自动修正可执行的磨削加工程序中没有考虑到的修型磨削要求，生成实现修型磨削过程的实际加工路径并输入所述执行单元；所述执行单元生成修型磨削加工轨迹，同时控制磨削单元工作；所述磨削单元实现所述修型磨削知识库规划好的期望磨削参数，最终实现实际磨削过程。
本发明还包括一测量单元，所述测量单元对实际磨削过程的参数进行测量并反馈给所述修型磨削知识库。
所述轨迹规划模块为一离线编程软件模块。
所述标定模块为一在线标定软件模块。
所述磨削单元为一砂带磨削机。
所述执行单元为一机器人或数控机床。
本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：1、由于本发明建立的修型磨削知识库能够根据输入的各个点的磨削量自动生成各个磨削参数，因此不仅给本发明的过程控制提供了强大的技术支持，并使控制过程简单可靠。2、由于本发明能够得到加工工件各个磨削点的磨削量和磨削参数，因此不仅能够实现各种复杂型面工件的修型磨削，还大大提高了产品的磨削质量。3、本发明主要由自动化设备采用过程控制的方式，自动生成最佳磨削加工轨迹并控制执行单元和磨削单元动作，实现了工件的自动化修型磨削，从而大大提高了生产率。4、由于本发明在修型磨削过程中，过程控制模块与实际磨削过程存在参数反馈，保证磨削加工过程中的参数与给定参数一致，从而保证了精确的修型磨削结果。5、本发明辅助使用测量单元，在线测量加工前后的工件，得到实际磨削量，并输入修型磨削知识库比较，从而优化了磨削参数，大大提高修型磨削精度。6、本发明在磨削单元中加入了力控制系统，从而实现了对磨削接触力的控制，进一步提高了修型磨削精度。本发明方法可广泛应用于各种高尺寸精度和具有复杂型面工件的修型磨削加工。
附图说明
图1是本发明的结构及流程示意图
具体实施方式
下面结合附图和实施例，对本发明进行详细的描述。
如图1所示，本发明包括磨削量生成模块1、轨迹规划模块2、标定模块3、修型磨削知识库4、路径修正模块5、过程控制模块6、执行单元7、磨削单元8和测量单元9。
本发明的磨削量生成模块1为一软件模块，修型磨削过程是实现实际工件到理想工件转变的过程，因此希望工件上各个点磨削后都与理想工件一致，但实际磨削量都是测量得到的，测量只能得到有限个点的期望磨削量。在磨削量生成模块1中，如果客户能够给出待修型工件表面各个磨削点的期望磨削量，则磨削量生成模块1不进行三维重构，而是直接将各个磨削点的期望磨削量输入修型磨削知识库4。如果客户不能给出待修型工件表面各个磨削点的期望磨削量，就需要利用工件的CAD模型通过现有技术中三维重构的方法，输出各个磨削点的期望磨削量，并将各个磨削点的期望磨削量输入修型磨削知识库4。
本发明的轨迹规划模块2为一离线编程软件模块，它根据输入的工件CAD模型，在电脑上生成初始磨削加工程序，并输入标定模块3。此模块是在ABB仿真软件RobotStudio的基础上开发的用于磨削抛光的离线编程模块，生成磨削加工程序主要步骤如下：1)输入工件的CAD模型；2)选择CAD模型上的曲面；3)在选定的曲面上按要求(生成曲线的数目、方式)生成曲线；4)在生成的曲线上生成加工点，便会得到一条加工程序；5)用同样的方法，可以生成多条加工程序。
本发明的标定模块3为一在线标定软件模块(已申请专利，公开号为：CN101097131)。轨迹规划模块2生成的程序只是根据工件CAD模型生成的初始磨削加工程序，还没有建立与执行单元7的关系。通过标定模块3的标定过程，可以将根据工件CAD模型生成的初始磨削加工程序转换成执行单元7可执行的磨削加工程序，并输入路径修正模块5。
本发明修型磨削知识库4是通过物理与试验建模方法找出各种磨削参数与磨削量之间的关系，包括砂带线速度、接触轮硬度、进给速度、接触力等，从而形成智能知识库。本发明的核心是规划磨削参数，修型磨削知识库4主要实现这个功能。修型磨削知识库4已经包含了磨削量与各个磨削参数之间的关系，如磨削量与进给速度近似成反比关系，通过输入各个点的期望磨削量，修型磨削知识库4会得到各个磨削参数，包括输入路径修正模块5的执行单元控制参数，输入过程控制模块6的过程控制参数和输入磨削单元8的磨削单元控制参数。
本发明路径修正模块5是根据修型磨削知识库4生成输入的执行单元控制参数，来调整通过轨迹规划模块2和标定模块3生成输入的可执行的磨削加工程序中没有考虑到的修型磨削要求，从而生成实现修型磨削过程的实际加工路径。例如可执行的磨削加工程序中进给速度是常量，但它的实际设置值和磨削量有关，不同的磨削点对应不同的磨削量，因此每个磨削点的进给速度也不一样，进给速度值是由修型磨削知识库4输出的。
本发明过程控制模块6能够根据实际需要的磨削过程参数(如磨削接触力等)，实现对磨削过程参数的控制。对于磨削过程参数的有效控制是实现修型磨削的很重要的一个环节。过程控制模块6可以根据过程控制参数和实际磨削过程参数反馈控制执行单元7和磨削单元8，保证磨削加工过程中的参数与给定参数一致，从而保证了精确的修型磨削结果。过程控制模块6主要由信号采集单元、信号处理单元、控制单元等组成；信号采集单元采集实际控制参数(如：接触力)并将它输给信号处理单元，信号处理单元对信号进行预处理输给控制单元，控制单元将此实际参数值与此参数的给定值做比较，通过一定的控制算法，控制执行单元7和磨削单元8，实现对加工过程的希望控制。
执行单元7可以是机器人，也可以是数控机床，在执行单元7能够实现规划好的实际加工路径，生成修型磨削加工轨迹。
磨削单元8为一具有力控制系统的砂带磨削机，它可以实现修型磨削知识库4规划好的磨削单元参数，如磨削机速度、砂带类型、接触轮类型等，最终实现工件自动化修型磨削过程10。
测量单元9为一三维测量系统，也是一个可选功能模块，通过对修型磨削知识库4静态生成的磨削参数进行控制，一般能够满足修型磨削要求。辅助使用测量单元9，在线测量加工前后的工件，得到实际磨削量，并输入修型磨削知识库4比较，从而优化磨削参数，能够提高修型磨削精度。
Claims (15)
1、一种能够对工件自动化修型的砂带磨削加工方法，其包括以下步骤：
(1)设置一包括轨迹规划模块、标定模块、修型磨削知识库、路径修正模块、过程控制模块、执行单元和磨削单元的工件自动化砂带修型磨削加工系统，所述修型磨削知识库包含了磨削量与各个磨削参数之间的关系；
(2)将待修型工件上各个磨削点的期望磨削量直接输入所述修型磨削知识库；
(3)根据输入的所述各个磨削点的期望磨削量，所述修型磨削知识库自动生成各个期望磨削参数，并分别将所述期望磨削参数输入所述路径修正模块、过程控制模块和磨削单元；
(4)将工件CAD模型输入所述轨迹规划模块，所述轨迹规划模块生成初始磨削加工程序并输入所述标定模块；
(5)所述标定模块将初始磨削加工程序转换成执行单元可执行的磨削加工程序，并输入所述路径修正模块；
(6)所述路径修正模块根据所述修型磨削知识库生成输入的期望磨削参数，自动修正可执行的磨削加工程序中没有考虑到的修型磨削要求，生成实现修型磨削过程的实际加工路径；
(7)将所述实际加工路径输给执行单元，便会生成修型磨削加工轨迹，同时控制磨削单元工作；
(8)所述磨削单元实现所述修型磨削知识库规划好的期望磨削参数，最终实现工件自动化修型磨削过程；
(9)在修型磨削过程中，所述过程控制模块根据所述修型磨削知识库规划好的期望磨削参数和实际磨削过程参数反馈，控制所述执行单元和磨削单元。
2、如权利要求1所述一种能够对工件自动化修型的砂带磨削加工方法，其特征在于：所述修型磨削加工系统中还设置有一磨削量生成模块，如果输入是工件CAD模型，则所述磨削量生成模块通过三维重构后，将所述各个磨削点的期望磨削量输入所述修型磨削知识库。
3、如权利要求1所述一种能够对工件自动化修型的砂带磨削加工方法，其特征在于：在所述修型磨削加工系统中设置一测量单元，所述测量单元对实际磨削过程的参数进行测量并反馈给所述修型磨削知识库，根据所述修型磨削知识库规划好的期望磨削参数和实际磨削过程参数的比对，控制所述执行单元和磨削单元。
4、如权利要求1所述一种能够对工件自动化修型的砂带磨削加工方法，其特征在于：所述期望磨削参数包括输入给所述路径修正模块的执行单元控制参数，输入给所述过程控制模块的过程控制系统控制参数和输入给磨削单元的磨削单元控制参数。
5、如权利要求1或2或3或4所述一种能够对工件自动化修型的砂带磨削加工方法，其特征在于：所述轨迹规划模块为一离线编程软件模块，其生成初始磨削加工程序主要步骤如下：
1)输入工件的CAD模型；
2)选择CAD模型上的曲面；
3)在选定的曲面上按照生成曲线的数目和方式生成曲线；
4)在生成的曲线上生成加工点，便会得到一条加工程序；
5)重复上述步骤1)至步骤4)，生成多条加工程序。
6、一种实现如权利要求1～5所述能够对工件自动化修型的砂带磨削加工方法的装置，其特征在于：它包括磨削量生成模块、轨迹规划模块、标定模块、修型磨削知识库、路径修正模块、过程控制模块、执行单元和磨削单元；
所述磨削量生成模块将客户输入的待修型工件上各个磨削点的期望磨削量直接输入所述修型磨削知识库，或将输入的工件CAD模型通过三维重构后生成的各个磨削点的期望磨削量输入所述修型磨削知识库；
所述修型磨削知识库根据输入的所述各个磨削点的期望磨削量，自动生成期望磨削参数，并分别将所述期望磨削参数输入路径修正模块、过程控制模块和磨削单元；
所述轨迹规划模块将输入的工件CAD模型生成初始磨削加工程序并输入所述标定模块；
所述标定模块将初始磨削加工程序转换成执行单元可执行的磨削加工程序，并输入所述路径修正模块；
所述路径修正模块根据所述修型磨削知识库生成输入的期望磨削参数，自动修正可执行的磨削加工程序中没有考虑到的修型磨削要求，生成实现修型磨削过程的实际加工路径并输入所述执行单元；
所述执行单元生成修型磨削加工轨迹，同时控制磨削单元工作；
所述磨削单元实现所述修型磨削知识库规划好的期望磨削参数，最终实现实际磨削过程。
7、如权利要求6所述一种能够对工件自动化修型的砂带磨削加工装置，其特征在于：还包括一测量单元，所述测量单元对实际磨削过程的参数进行测量并反馈给所述修型磨削知识库。
8、如权利要求6所述一种能够对工件自动化修型的砂带磨削加工装置，其特征在于：所述轨迹规划模块为一离线编程软件模块，其生成初始磨削加工程序主要步骤如下：
1)输入工件的CAD模型；2)选择CAD模型上的曲面；3)在选定的曲面上按照生成曲线的数目和方式生成曲线；4)在生成的曲线上生成加工点，便会得到一条加工程序；5)重复上述步骤1)至步骤4)，可以生成多条加工程序。
9、如权利要求7所述一种能够对工件自动化修型的砂带磨削加工装置，其特征在于：所述轨迹规划模块为一离线编程软件模块，其生成初始磨削加工程序主要步骤如下：
1)输入工件的CAD模型；2)选择CAD模型上的曲面；3)在选定的曲面上按照生成曲线的数目和方式生成曲线；4)在生成的曲线上生成加工点，便会得到一条加工程序；5)重复上述步骤1)至步骤4)，可以生成多条加工程序。
10、如权利要求6或7或8或9所述一种工件自动化砂带修型磨削加工装置，其特征在于：所述标定模块为一在线标定软件模块。
11、如权利要求6或7或8或9所述一种工件自动化砂带修型磨削加工装置，其特征在于：所述磨削单元为一砂带磨削机。
12、如权利要求10所述一种工件自动化砂带修型磨削加工装置，其特征在于：所述磨削单元为一砂带磨削机。
13、如权利要求6或7或8或9所述一种工件自动化砂带修型磨削加工装置，其特征在于：所述执行单元为一机器人或数控机床。
14、如权利要求10所述一种工件自动化砂带修型磨削加工装置，其特征在于：所述执行单元为一机器人或数控机床。
15、如权利要求12所述一种工件自动化砂带修型磨削加工装置，其特征在于：所述执行单元为一机器人或数控机床。
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