CN111830900B - 一种机器人磨抛加工整体叶盘的无干涉刀具轨迹生成方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于机械加工制造相关技术领域，其公开了一种机器人磨抛加工整体叶盘的无干涉刀具轨迹生成方法，包括以下步骤：(1)获取初始刀位点信息；(2)获得各个离散点的坐标位置信息；(3)在各个刀位点，分别判断所有离散点是否落在刀柄投影截面内；(4)判断刀具与叶片待加工表面是否发生干涉；(5)对比所有发生干涉的离散点与刀具轴线之间的最短距离，并其中的最小值作为L_j，对应离散点为F_j，计算出离散点F_j对应于刀轴轴线上的垂足M的坐标；(6)在刀具刀位点P、离散点F_j及垂足M三点所构成的平面中，以刀具刀位点为不动点将刀具抬高至不发生干涉的安全位置，进而形成无干涉刀具轨迹及刀位点文件。本发明速度快，适用性较强。

Description

一种机器人磨抛加工整体叶盘的无干涉刀具轨迹生成方法

技术领域

本发明属于机械加工制造相关技术领域，更具体地，涉及一种机器人磨抛加工整体叶盘的无干涉刀具轨迹生成方法。

背景技术

整体叶盘作为新一代航空发动机核心零件，其叶片扭曲程度大、流道深而狭窄，磨抛加工时模具与叶盘易发生干涉或者碰刀，进而导致价值不菲的叶盘发生损伤及报废，尤其是机器人磨抛加工复杂叶盘时。

而刀具与叶盘的干涉碰撞是不可避免的，因此对于具体的待加工工件，在进行实际的机器人磨抛加工之前，对刀具路径进行仿真以在保证加工精度的前提下，对刀路进行碰撞检测，通过调整刀具姿态来避免整体叶盘的加工碰撞是十分必要的。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种机器人磨抛技工整体叶盘的无干涉刀具轨迹生成方法，其通过调整刀具位姿，避免刀具与被加工叶盘的干涉，既满足了碰撞点快速识别的要求，又很大程度地减少了计算量，适用性较强，灵活性较好，实现了在机器人磨抛加工整体叶盘时生成无干涉刀具轨迹，并有效控制磨抛残留高度。

为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种机器人磨抛加工整体叶盘的无干涉刀具轨迹生成方法，所述方法主要包括以下步骤：

(1)对整体叶盘其中一个叶片的待加工表面进行刀路规划以生成初始刀具轨迹，并获取初始刀位点信息；

(2)将待加工表面离散为离散点以得到离散点点集，并获得各个离散点的坐标位置信息；

(3)将刀柄沿着工作坐标系Z轴负向投影到待加工叶片表面上，取刀柄上过刀轴轴线的一截面作为刀柄投影截面，并在各个刀位点，分别判断离散点点集中的所有离散点是否落在所述刀柄投影截面内；若存在离散点落到所述刀柄投影截面，则转至步骤(4)；否则结束；

(4)通过分别对比落到所述刀柄投影截面内的离散点到刀具轴线的距离与刀柄半径的大小来判断刀具与叶片待加工表面是否发生干涉，若存在发生干涉的离散点，则转至步骤(5)；否则结束；

(5)在发生干涉的刀位点P，对比所有发生干涉的离散点与刀具轴线之间的最短距离，并将得到的所有最短距离中的最小值作为L_j，对应离散点为F_j，计算出离散点F_j对应于刀轴轴线上的垂足M的坐标；

(6)在刀具刀位点P、离散点F_j及垂足M三点所构成的平面中，以刀具刀位点为不动点将刀具抬高至不发生干涉的安全位置，并计算此时的刀位位置加工叶片表面时的残留高度是否满足加工精度要求，若不满足加工精度要求，则将刀具沿刀触点法向方向移动至满足加工精度要求，进而形成新的无干涉刀具轨迹及刀位点文件，若满足，则形成所述无干涉刀具轨迹及刀位点文件。

进一步地，初始刀位点

为：

CL＝[x,y,z,i,j,k,u,v,w]

式中，x,y,z为工件坐标系下的刀路刀位点的坐标，i,j,k为刀触点法向单位矢量，u,v,w为刀具轴线单位矢量。

进一步地，刀柄投影截面的四个角A(x_a,y_a,z_a)、B(x_b,y_b,z_b)、C(x_c,y_c,z_c)、D(x_d，y_d，z_d)的坐标按下式计算：

V＝T×K

B＝P+R×V

C＝B+L₂×T

D＝C-2R×V

式中，P为刀位点坐标，T为刀具轴线单位矢量，K为沿工件坐标系Z轴正向单位向量，L₁为刀具磨头宽度，L₂为刀柄长度，R为刀柄半径。

进一步地，根据叶片表面离散点F_i的坐标(x,y,z)，若离散点的位置满足：

x_a≤x或x_d≤x

且x≤x_b或x≤x_c

且y_a≤y或y_b≤y

且y≤y_c或y≤y_d

则该离散点落在刀柄投影截面内部。

进一步地，若L＜R+γ，则在此刀位点，刀具与叶片发生干涉；其中，γ为刀具与叶盘的安全距离；L为离散点到刀具轴线的最短距离；R为刀柄半径。

进一步地，离散点F_j在刀轴轴线上的垂足M的坐标为：

其中，

为线段PF_j的向量。

进一步地，在在刀具刀位点P、离散点F_j及垂足M三点所构成的平面中，以刀具刀位点为不动点将刀具抬高至不发生干涉的安全位置，使离散点F_j距刀具中心轴线的最短距离满足下式条件：

L＝R+γ

式中，γ为刀具与叶盘的安全距离；L为离散点到刀具轴线的最短距离。

进一步地，若残留高度不满足加工精度要求，则需将刀具沿刀触点法向矢量平移一段距离a，以满足要求，平移后刀具轴线矢量不变，新的刀位点P′由下式计算：

P′＝P+a×N

式中，P′为最终无干涉刀位点，a为沿刀触点法向矢量的平移距离，N(i,j,k)为刀触点法向矢量。

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，本发明提供的机器人磨抛加工整体叶盘的无干涉刀具轨迹生成方法主要具有以下有益效果：

1.所述方法检测了生成刀路的各个刀位点刀具与叶盘是否发生干涉的情况，既实现了在机器人磨抛加工整体叶盘时生成无干涉刀具轨迹，并有效控制了磨抛残留高度。

2.检测到干涉情况后在平面PF_jM内调整刀具位姿，以最小的抬刀角度避免干涉，快速准确。

3.所述方法考虑了抬刀后对工件表面残留高度的影响，通过平移刀具保证残留高度满足要求。

4.所述方法简单，易于实施，通过调整刀具位姿，避免刀具与被加工叶盘的干涉，既满足了碰撞点快速识别的要求，又很大程度地减少了计算量，适用性较强，灵活性较好。

附图说明

图1是本发明提供的机器人磨抛加工整体叶盘的无干涉刀具轨迹生成方法的流程示意图；

图2是本发明所用到的磨抛刀具示意图；

图3是刀柄沿工作坐标系Z轴的投影截面示意图；

图4是在面PF_jM上的抬刀示意图。

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。

请参阅图1及图2，本发明提供的机器人磨抛加工整体叶盘的无干涉刀具轨迹生成方法主要包括以下步骤：

步骤一，对整体叶盘其中一个叶片的待加工表面进行刀路规划以生成初始刀具轨迹，并获取初始刀位点信息。

具体地，根据加工要求，对整体叶盘其中一个叶片的待加工表面进行刀路规划以生成初始刀具轨迹，并获取工件坐标系下初始刀路刀位点

CL＝[x,y,z,i,j,k,u,v,w]

式中，x,y,z为工件坐标系下的刀路刀位点的坐标，i,j,k为刀触点法向单位矢量，u,v,w为刀具轴线单位矢量。

步骤二，将待加工表面离散为离散点以得到离散点点集，并获得各个离散点的坐标位置信息。

具体地，将待加工叶片表面按一定精度均匀离散为点集，并获得各个离散点F_i的坐标信息(x,y,z)，以便将刀具与叶盘的干涉情况转化为刀具与叶盘表面点的干涉。

步骤三，将刀柄沿着工作坐标系Z轴负向投影到待加工叶片表面上，取刀柄上过刀轴轴线的一截面作为刀柄投影截面，并在各个刀位点，分别判断离散点点集中的所有离散点是否落在所述刀柄投影截面内；若存在离散点落到所述刀柄投影截面，则转至步骤四；否则结束。

具体地，首先，将刀柄沿着工件坐标系Z轴负向投影到被加工叶片表面上，取刀柄上过刀轴轴线的一截面作为投影过程中的刀柄投影截面，请参阅图3，该刀柄投影截面四个角A(x_a,y_a,z_a)、B(x_b,y_b,z_b)、C(x_c,y_c,z_c)、D(x_d，y_d，z_d)的坐标可分别按如下式计算：

V＝T×K

B＝P+R×V

C＝B+L₂×T

D＝C-2R×V

式中，P为刀位点坐标，T为刀具轴线单位矢量，K为沿工件坐标系Z轴正向单位向量，L₁为刀具磨头宽度，L₂为刀柄长度，R为刀柄半径。

接着，在各个刀位点，对叶片表面离散点集中的每个点，判断其是否落在刀柄投影截面内部。根据叶片表面离散点F_i的坐标(x,y,z)，若离散点的位置满足：

x_a≤x或x_d≤x

且x≤x_b或x≤x_c

且y_a≤y或y_b≤y

且y≤y_c或y≤y_d

则该离散点落在刀柄投影截面内部。

步骤四，通过分别对比落到所述刀柄投影截面内的离散点到刀具轴线的距离与刀柄半径的大小来判断刀具与叶片待加工表面是否发生干涉，若存在发生干涉的离散点，则转至步骤五；否则结束。

具体地，落到刀柄投影截面内部的离散点，才有可能与刀具发生干涉，通过对比该离散点到刀具轴线的最短距离L与刀柄半径的大小判断刀具与叶片被加工表面是否发生干涉，直至遍历所有落在刀柄投影截面内的离散点，即若L＜R+γ，则在此刀位点刀具与叶片发生干涉。其中，γ为刀具与叶盘的安全距离。本步骤需要检测每个刀位点与叶盘的干涉情况。

步骤五，在发生干涉的刀位点P，对比所有发生干涉的离散点与刀具轴线之间的最短距离，并取得到的所有最短距离中的最小值作为L_j，对应离散点为F_j，计算出离散点F_j对应于刀轴轴线上的垂足M的坐标。

具体地，请参阅图4，在发生干涉的刀位点P，遍历离散点，对比所有发生干涉的离散点与刀具轴线最短距离L，取其中最小值L_j，此时的离散点为F_j，在此离散点刀具与叶片的干涉量最大。计算出离散点F_j在刀轴轴线上的垂足M的坐标：

式中，

为线段PF_j的向量。

步骤六，在刀具刀位点P、离散点F_j及垂足M三点所构成的平面中，以刀具刀位点为不动点将刀具抬高至不发生干涉的安全位置，并计算此时的刀位位置加工叶片表面时的残留高度是否满足加工精度要求，若不满足加工精度要求，则将刀具沿刀触点法向方向移动至满足加工精度要求，进而形成新的无干涉刀具轨迹及刀位点文件，若满足，则直接形成所述无干涉刀具轨迹及刀位点文件。

具体地，首先，在在刀具刀位点P、离散点F_j及垂足M三点所构成的平面中，以刀具刀位点为不动点将刀具抬高至不发生干涉的安全位置，使离散点F_j距刀具中心轴线的最短距离满足下式条件：

L＝R+γ

式中，γ为刀具与叶盘的安全距离；L为离散点到刀具轴线的最短距离。

抬刀后获得新的无干涉刀具轴线矢量T′(u,v,w)。

接着，改变刀具姿态会改变刀具磨头与叶片表面贴合状态，需进一步验证以满足加工精度要求。通过加工后叶片表面残留高度h应满足：

式中，R₁为刀具磨头半径，h为加工后叶片表面残留高度，θ为改变刀具姿态前后两刀具轴线矢量的夹角，ε为误差约束值。

若残留高度不满足加工精度要求，则需将刀具沿刀触点法向矢量平移一段距离a，以满足要求，平移后刀具轴线矢量不变，新的刀位点P′由下式计算：

P′＝P+a×N

式中，P′为最终无干涉刀位点，a为沿刀触点法向矢量的平移距离，N(i,j,k)为刀触点法向矢量。

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，并不用以限制本发明，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)

1.一种机器人磨抛加工整体叶盘的无干涉刀具轨迹生成方法，其特征在于：

(1)对整体叶盘其中一个叶片的待加工表面进行刀路规划以生成初始刀具轨迹，并获取初始刀位点信息；

(2)将待加工表面离散为离散点以得到离散点点集，并获得各个离散点的坐标位置信息；

(3)将刀柄沿着工作坐标系Z轴负向投影到待加工叶片表面上，取刀柄上过刀轴轴线的一截面作为刀柄投影截面，并在各个刀位点，分别判断离散点点集中的所有离散点是否落在所述刀柄投影截面内；若存在离散点落到所述刀柄投影截面，则转至步骤(4)；否则结束；

(4)通过分别对比落到所述刀柄投影截面内的离散点到刀具轴线的距离与刀柄半径的大小来判断刀具与叶片待加工表面是否发生干涉，若存在发生干涉的离散点，则转至步骤(5)；否则结束；

(5)在发生干涉的刀位点P，对比所有发生干涉的离散点与刀具轴线之间的最短距离，并将得到的所有最短距离中的最小值作为L_j，对应离散点为F_j，计算出离散点F_j对应于刀轴轴线上的垂足M的坐标；

(6)在刀具刀位点P、离散点F_j及垂足M三点所构成的平面中，以刀具刀位点为不动点将刀具抬高至不发生干涉的安全位置，并计算此时的刀位位置加工叶片表面时的残留高度是否满足加工精度要求，若不满足加工精度要求，则将刀具沿刀触点法向方向移动至满足加工精度要求，进而形成新的无干涉刀具轨迹及刀位点文件，若满足，则形成所述无干涉刀具轨迹及刀位点文件。

2.如权利要求1所述的机器人磨抛加工整体叶盘的无干涉刀具轨迹生成方法，其特征在于：初始刀位点

为：

CL＝[x，y，z，i，j，k，u，v，w]

式中，x，y，z为工件坐标系下的刀路刀位点的坐标，i，j，k为刀触点法向单位矢量，u，v，w为刀具轴线单位矢量。

3.如权利要求1所述的机器人磨抛加工整体叶盘的无干涉刀具轨迹生成方法，其特征在于：刀柄投影截面的四个角A(x_a，y_a，z_a)、B(x_b，y_b，z_b)、C(x_c，y_c，z_c)、D(x_d，y_d，z_d)的坐标按下式计算：

V＝T×K

B＝P+R×V

C＝B+L₂×T

D＝C-2R×V

式中，P为刀位点坐标，T为刀具轴线单位矢量，K为沿工件坐标系Z轴正向单位向量，L₁为刀具磨头宽度，L₂为刀柄长度，R为刀柄半径。

4.如权利要求3所述的机器人磨抛加工整体叶盘的无干涉刀具轨迹生成方法，其特征在于：根据叶片表面离散点F_i的坐标(x，y，z)，若离散点的位置满足：

x_a≤x或x_d≤x

且x≤x_b或x≤x_c

且y_a≤y或y_b≤y

且y≤y_c或y≤y_d

则该离散点落在刀柄投影截面内部。

5.如权利要求1所述的机器人磨抛加工整体叶盘的无干涉刀具轨迹生成方法，其特征在于：若L＜R+γ，则在此刀位点，刀具与叶片发生干涉；其中，γ为刀具与叶盘的安全距离；L为离散点到刀具轴线的最短距离；R为刀柄半径。

6.如权利要求3所述的机器人磨抛加工整体叶盘的无干涉刀具轨迹生成方法，其特征在于：离散点F_j在刀轴轴线上的垂足M的坐标为：

式中，

为线段PF_j的向量。

7.如权利要求5所述的机器人磨抛加工整体叶盘的无干涉刀具轨迹生成方法，其特征在于：在在刀具刀位点P、离散点F_j及垂足M三点所构成的平面中，以刀具刀位点为不动点将刀具抬高至不发生干涉的安全位置，使离散点F_j距刀具中心轴线的最短距离满足下式条件：

L＝R+γ。

8.如权利要求7所述的机器人磨抛加工整体叶盘的无干涉刀具轨迹生成方法，其特征在于：若残留高度不满足加工精度要求，则需将刀具沿刀触点法向矢量平移一段距离a，以满足要求，平移后刀具轴线矢量不变，新的刀位点P′由下式计算：

式中，P′为最终无干涉刀位点，a为沿刀触点法向矢量的平移距离，N(i，j，k)为刀触点法向矢量。

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