CN110900379B - 一种压气机叶片机器人砂带磨抛加工方法 - Google Patents

一种压气机叶片机器人砂带磨抛加工方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种压气机叶片机器人砂带磨抛加工方法，包括S100：搭建机器人磨抛系统，并对机器人进行标定和运动路径规划；S200：以砂带型号、粒度和磨抛机接触轮半径为已知量，以机器人进给速度、砂带线速度和磨削力作为磨抛变量，进行正交实验，并通过机器人磨抛系统对叶片进行磨抛实验；获得磨抛叶片样本；S300：测量所述磨抛叶片样本的磨削深度、表面粗糙度及表面形貌特征，并建立考虑切入切出过磨或欠磨现象的切入、中间、切出部分材料去除率模型；S400：根据所述材料去除率模型，分析其主要影响因素，优化调整切入、切出时所述主要影响因素，并预估多组优化参数。本发明的方法，最大限度的减小的过磨和欠磨现象，提高工件表面质量与平整度。

Description

一种压气机叶片机器人砂带磨抛加工方法
技术领域
本发明属于机器人磨抛工艺技术领域，更具体地，涉及一种压气机叶片机器人砂带磨抛加工方法。
背景技术
随着科技的发展，航空航天、能源对于具有复杂曲面的叶片需求越来越迫切，但是目前复杂曲面叶片的磨抛加工主要还是依靠人工，加工效率低，精度低，操作者劳动强度大。近年来，机器人产业发展迅速，相对于多轴数控机床，工业机器人具有成本低、柔性好、智能化、效率高、操作空间大等优势，在叶片打磨加工中广泛使用，不仅可以提高叶片磨抛加工的质量，而且能够大大提高生产效率。
目前机器人磨抛大部分还使用的是示教编程，恒速、恒力磨抛，虽然比手工磨抛效率高，气压机叶片表面表面质量更好，但是针对复杂曲面类的精密磨削加工，由于机器人定位精度低，加工环境复杂且对离线规划的路径依赖程度高，导致在机器人砂带磨削加工过程中极易产生过、欠磨现象，严重影响了工件的表面加工质量与轮廓精度，阻碍了机器人砂带磨削技术在高精密制造业领域的进一步发展。
此外，对于气压机叶片的磨抛，还是存在一定的瑕疵，例如对叶片进行磨抛切入切出时容易出现过磨与欠磨现象，导致试件表面平整度降低，型面达不到要求，出现过磨现象严重时可能直接导致试件报废，目前基本上没有对磨抛过程中切入切出的优化。因此，迫切需要对磨抛过程中的切入切出段进行研究，来提高试件表面的加工质量，尽可能降低过磨和欠磨量。
发明内容
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供一种压气机叶片机器人砂带磨抛加工方法，通过优化机器人的进给速度来减少和增加在切入和切出部分上的磨削深度，尽可能保证去除率模型斜率的数值为零，在切削和铣削过程中可以通过采用变进给加工理论来使切削深度保持恒定，提高工件表面质量与平整度，解决磨抛过程中的磨抛参数的不合理导致的切入切出的过磨和欠磨问题。
为了实现上述目的，本发明提供一种压气机叶片机器人砂带磨抛加工方法，包括：
S100：搭建机器人磨抛系统，并对机器人进行标定和运动路径规划；
S200：以砂带型号、粒度和磨抛机接触轮半径为已知量，以机器人进给速度、砂带线速度和磨削力作为磨抛变量，进行正交实验，并通过机器人磨抛系统对叶片进行磨抛实验；获得磨抛叶片样本；
S300：测量所述磨抛叶片样本的磨削深度、表面粗糙度及表面形貌特征，并建立考虑切入切出过磨或欠磨现象的切入、中间、切出部分材料去除率模型；
S400：根据所述材料去除率模型，分析其主要影响参数，优化调整切入、切出时所述主要影响因素，并预估多组优化参数，通过实验验证，获得减小或消除切入和切出过磨或欠磨现象的机器人磨抛参数。
进一步地，步骤S100具体包括：
S101：对机器人、磨抛机、检测装置进行布局，搭建机器人磨抛平台，在机器人末端安装力传感器，并夹持叶片，完成机器人标定；
S102：对叶片进行三维重构，并规划机器人运动路径。
进一步地，步骤S300中，所述材料去除率模型为：
Figure GDA0003020094630000031
其中，Qw1、Qw2、Qw3分别表示切入、中间、切出部分的材料去除率；V1、V2、V3分别表示切入、中间、切出部分材料去除体积；t1、t2、t3分别表示切入、中间、切出部分的加工时间；S1、S2、S3分别表示切入、中间、切出部分沿磨削方向的材料去除面积；hw1和hd1分别为切入部分的材料去除宽度和高度；hw2和hd2为切出部分的材料去除宽度和高度；L为试块的总宽度；b为接触轮的宽度；Vr为机器人进给速度；h表示中间部分的高度。
进一步地，步骤S300中，所述材料去除率模型建立还包括如下步骤：对材料去除率模型中切入切出的曲线部分，利用直线进行简化，得到接近实际的材料去除率模型。
进一步地，步骤S300中，测量采用材料去除量测量装置，其包括三轴运动平台和LVDT(直线位移传感器)测量机构。
进一步地，步骤S400中，所述主要影响因素包括机器人进给速度、砂带线速度和/或法向磨削力。
进一步地，步骤S400中，所述优化包括如下步骤：对切入部分、中间部分和切出部分的磨削工艺参数对平均磨削深度影响进行总体评价，对每个过程参数进行平均加权，找出影响最大的工艺参数组合，然后对工艺组合进行验证，确定工艺参数。
进一步地，步骤S100中，所述机器人磨抛系统包括机器人本体、机器人控制柜、磨抛机、ATI六维力传感器、气动叶片夹持装置、上位机及机器人标定杆。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：
1.本发明的加工方法，通过优化机器人的进给速度来减少和增加在切入和切出部分上的磨削深度，尽可能保证去除率模型斜率的数值为零，在切削和铣削过程中可以通过采用变进给加工理论来使切削深度保持恒定，解决磨抛过程中的磨抛参数的不合理导致的切入切出的过磨和欠磨问题。
2.本发明的加工方法，相比于恒进给加工模式，采用变进给加工模式在切入和切出部分能够获得更小的斜率，从而带来较为均匀的磨削深度。
3.本发明的加工方法，在切入时适当的机器人进给速度提高，减少机器人对叶片切入部分的磨抛时间；在切出时适当的将机器人进给速度降低，增加机器人对切出部分的磨抛时间。预估几组优化速度参数，然后进行实验验证最好的一组参数，来减少甚至消除切入和切出现象的影响，获得更好的表面轮廓精度和尺寸精度。
4.本发明的加工方法，对叶片的磨抛量进行分析，通过获取的叶片形貌特征，建立考虑了切入切出现象的切入、中间、切出部分的材料去除率模型(MRR)模型，优化MRR模型即可提高叶片表面轮廓精度和尺寸精度。
附图说明
图1为本发明实施例一种压气机叶片机器人砂带磨抛加工方法的流程示意图；
图2为本发明实施例叶片的加工路径LVDT(直线位移传感器)测量结果图；
图3为本发明实施例材料去除率(MRR)模型示意图；
图4为本发明实施例恒定进给速度和变进给速度的材料去除量测量结果图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
本发明实施例提供一种压气机叶片机器人砂带磨抛工艺加工方法，包括如下步骤：
步骤1：根据要求搭建机器人磨抛平台，对机器人、磨抛机、检测装置进行布局，在机器人末端装卡力传感器，然后夹持叶片，进行机器人标定；
步骤2：对叶片进行三维重构，利用UG的二次开发平台编写的离线编程插件处理叶片，规划机器人运动路径；
步骤3：进行磨抛实验，砂带型号，粒度和磨抛机接触轮半径是一定的(根据大量实验进行总结，对叶片磨抛效果好)，将进给速度、砂带线速度、磨削力作为机器人磨抛变量，选择这三个因素进行正交实验，根据磨抛经验，每个因素分别选择三个水平值，建立正交表，利用机器人磨抛系统改变变量打磨叶片样件，可得到27组实验结果。
步骤4：将27组实验的叶片样本用材料去除量测量系统测量磨削深度，记录切入切出的磨削深度特性，另外测量叶片的表面粗糙度；
步骤5：对叶片的磨抛量进行分析，通过获取的叶片形貌特征，建立考虑了切入切出现象的切入、中间、切出部分的材料去除率模型(MRR):
Figure GDA0003020094630000061
其中，Qw1、Qw2、Qw3分别表示切入、中间、切出部分的材料去除率；V1、V2、V3分别表示切入、中间、切出部分材料去除体积；t1、t2、t3分别表示切入、中间、切出部分的加工时间；S1、S2、S3分别表示切入、中间、切出部分沿磨削方向的材料去除面积；hw1和hd1分别为切入部分的材料去除宽度和高度；hw2和hd2为切出部分的材料去除宽度和高度；L为试块的总宽度；b为接触轮的宽度；Vr为机器人进给速度；h表示中间部分的高度，其目的是三个部分的材料去除率基本相等。
步骤6：优化，根据步骤5中建立的材料去除率模型，分析其主要影响因素，其中，机器人进给速度对磨削深度的影响最大，其次是砂带线速度和法向磨削力，因此在切入时适当的机器人进给速度提高，减少机器人对叶片切入部分的磨抛时间；在切出时适当的将机器人进给速度降低，增加机器人对切出部分的磨抛时间。预估几组优化速度参数，然后进行实验验证最好的一组参数，来减少甚至消除切入和切出现象的影响，获得更好的表面轮廓精度和尺寸精度。本发明的加工方法，通过优化机器人的进给速度来减少和增加在切入和切出部分上的磨削深度，尽可能保证去除率模型斜率的数值为零，在切削和铣削过程中可以通过采用变进给加工理论来使切削深度保持恒定，解决磨抛过程中的磨抛参数的不合理导致的切入切出的过磨和欠磨问题。
在本发明一个实施例中，以气压机叶片的打磨为具体实施案例，机器人选用ABB公司的IRB4400机器人，并参照附图，对本发明进一步详细说明。具体以试块为例，整个系统的基本参数为：工件为气压机叶片；使用氧化铝堆积砂带，其型号为德国Hermes RB590Y，粒度为P180，平均磨粒半径为61μm，宽度为25mm；使用的材料去除量测量装置由自主研发的三轴运动平台和LVDT(直线位移传感器)测量装置组成，其测量精度为1μm。包括以下步骤：
(1)基于IRB4400机器人搭建实验平台，构建机器人磨抛系统，以及进行实验前的准备工作。
(2)进行磨抛实验，选择粒度为P180的氧化铝堆积砂带，磨抛机的接触轮直径为180mm，将进给速度、砂带线速度、磨削力作为机器人磨抛变量，选择这三个因素进行正交实验，根据磨抛经验，将进给速度分为20mm/s、40mm/s、60mm/s三个水平，砂带线速度分为8.37m/s、12.56m/s、16.75m/s三个水平，魔削力分为40N、60N、80N三个水平，建立正交表，如下表1所示，利用机器人磨抛系统改变三个变量的水平打磨叶片，可得到27组实验结果。
表1磨削正交实验表
Figure GDA0003020094630000081
(3)将27组实验数据用材料去除量测量系统测量磨削深度，对于打磨的路径，从切入点开始测量，到切出点结束，每隔1mm测量一个点另外，测量27组实验中的打磨力，其中前12组的数据如图2所示，在切入阶段有一段脚明显的过磨，在切出阶段有少量的欠磨。
(4)对打磨的叶片数据进行分析，发现在切入切出时工件与接触轮之间的弹性变形较为严重，实际法向力的波动较大，加工路径切入部分和切出部分出现了过磨和欠磨现象，而在中间部分的材料去除量较为恒定。因此需优化参数来减少过磨和欠磨现象。对于图2的现象，建立考虑了切入切出现象材料去除率(MRR)模型，如图3所示,将切入与切出部分的去除量曲线使用线性来简化，切入、中间、切出部分的局部材料去除率为：
Figure GDA0003020094630000091
其中，Qw1、Qw2、Qw3分别表示切入、中间、切出部分的材料去除率；V1、V2、V3分别表示切入、中间、切出部分材料去除体积；t1、t2、t3分别表示切入、中间、切出部分的加工时间；S1、S2、S3分别表示切入、中间、切出部分沿磨削方向的材料去除面积；
hw1和hd1分别为切入部分的材料去除宽度和高度；hw2和hd2为切出部分的材料去除宽度和高度；L为试块的总宽度；b为接触轮的宽度；Vr为机器人进给速度；h表示中间部分的高度。
建立在考虑切入和切出现象后的全局材料去除率Qw：
Figure GDA0003020094630000101
通过材料去除率模型进行参数评估，使参数修改后切入、切出的材料去除率与中间部分尽可能的相等。
(5)综上所述，通过优化机器人的进给速度来减少和增加在切入和切出部分上的磨削深度，尽可能保证去除率模型斜率的数值为零，在切削和铣削过程中可以通过采用变进给加工理论来使切削深度保持恒定，如图3所示，砂带线速度Vc＝12.56m/s；理论法向磨削力Fn＝40N；机器人恒定进给速度Vr＝40mm/s。Path1采用的是恒定进给速度加工；Path2和Path3采用了不同的变进给速度加工。可以发现，相比于恒进给加工模式，采用变进给加工模式在切入和切出部分能够获得更小的斜率，从而带来较为均匀的磨削深度。本发明的加工方法，对叶片的磨抛量进行分析，通过获取的叶片形貌特征，建立考虑了切入切出现象的切入、中间、切出部分的材料去除率模型(MRR)模型，优化MRR模型即可提高叶片表面轮廓精度和尺寸精度。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种压气机叶片机器人砂带磨抛加工方法，其特征在于，包括：
S100：搭建机器人磨抛系统，并对机器人进行标定，对叶片进行三维重构，利用UG的二次开发平台编写的离线编程插件处理叶片，规划机器人运动路径；
S200：以砂带型号、粒度和磨抛机接触轮半径为已知量，以机器人进给速度、砂带线速度和磨削力作为磨抛变量，进行正交实验，并通过机器人磨抛系统对叶片进行磨抛实验；获得磨抛叶片样本；
S300：测量所述磨抛叶片样本的磨削深度、表面粗糙度及表面形貌特征，并建立考虑切入切出过磨或欠磨现象的切入、中间、切出部分材料去除率模型；
S400：根据所述材料去除率模型，分析其主要影响参数，机器人进给速度对磨削深度的影响最大，其次是砂带线速度和法向磨削力，优化调整切入、切出时主要影响参数，并预估多组优化参数，在切入时将机器人进给速度提高，减少机器人对叶片切入部分的磨抛时间；在切出时将机器人进给速度降低，增加机器人对切出部分的磨抛时间，通过实验验证，获得减小或消除切入和切出过磨或欠磨现象的机器人磨抛参数，保证去除率模型斜率的数值为零。
2.根据权利要求1所述的一种压气机叶片机器人砂带磨抛加工方法，其特征在于，步骤S100具体包括：
S101：对机器人、磨抛机、检测装置进行布局，搭建机器人磨抛平台，在机器人末端安装力传感器，并夹持叶片，完成机器人标定；
S102：对叶片进行三维重构，并规划机器人运动路径。
3.根据权利要求1所述的一种压气机叶片机器人砂带磨抛加工方法，其特征在于，步骤S300中，所述材料去除率模型为：
Figure FDA0003081093100000021
其中，Qw1、Qw2、Qw3分别表示切入、中间、切出部分的材料去除率；V1、V2、V3分别表示切入、中间、切出部分材料去除体积；t1、t2、t3分别表示切入、中间、切出部分的加工时间；S1、S2、S3分别表示切入、中间、切出部分沿磨削方向的材料去除面积；hw1和hd1分别为切入部分的材料去除宽度和高度；hw2和hd2为切出部分的材料去除宽度和高度；L为试块的总宽度；b为接触轮的宽度；Vr为机器人进给速度；h表示中间部分的高度。
4.根据权利要求1或3所述的一种压气机叶片机器人砂带磨抛加工方法，其特征在于，步骤S300中，所述材料去除率模型建立还包括如下步骤：对材料去除率模型中切入切出的曲线部分，利用直线进行简化，得到接近实际的材料去除率模型。
5.根据权利要求4所述的一种压气机叶片机器人砂带磨抛加工方法，其特征在于，步骤S300中，测量采用材料去除量测量装置，其包括三轴运动平台和LVDT测量机构。
6.根据权利要求1所述的一种压气机叶片机器人砂带磨抛加工方法，其特征在于，步骤S400中，主要影响参数包括机器人进给速度、砂带线速度和/或法向磨削力。
7.根据权利要求1或6所述的一种压气机叶片机器人砂带磨抛加工方法，其特征在于，步骤S400中，所述优化包括如下步骤：对切入部分、中间部分和切出部分的磨削工艺参数对平均磨削深度影响进行总体评价，对每个过程参数进行平均加权，找出影响最大的工艺参数组合，然后对工艺组合进行验证，确定工艺参数。
8.根据权利要求1所述的一种压气机叶片机器人砂带磨抛加工方法，其特征在于，步骤S100中，所述机器人磨抛系统包括机器人本体、机器人控制柜、磨抛机、ATI六维力传感器、气动叶片夹持装置、上位机及机器人标定杆。
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