一种考虑加工弹性变形的机器人砂带磨抛表面粗糙度预测方法技术

本发明专利技术提出了一种考虑加工弹性变形的机器人砂带磨抛表面粗糙度预测方法，引入工件、砂带接触轮弹性模量的修正值，建立一个适用于机器人砂带磨抛的未变形切屑厚度模型；并基于砂带轮所提供能量与去除材料所需能量的相等关系，利用试验测量的不同工艺参数条件下的磨抛力数据确定改进模型中的弹性模量指数；最后，利用改进并确定的未变形切屑厚度模型进行表面粗糙度预测，并与相同工艺条件下测量的表面粗糙度值进行比较，分析并评估改进后模型的预测精度。根据机器人砂带轮磨抛加工的工艺参数有效实现复杂曲面工件表面粗糙度的精准预测，提升该模型在理论建模中的普适性。

A Prediction Method for Surface Roughness of Robot Belt Grinding Considering Elastic Deformation of Machining

The invention proposes a method for predicting the surface roughness of robot abrasive belt grinding considering elastic deformation, introduces the modified value of elastic modulus of workpiece and abrasive belt contact wheel, establishes a model of undeformed chip thickness suitable for robot abrasive belt grinding, and based on the equal relationship between the energy provided by the abrasive belt wheel and the energy required for material removal, utilizes different technological parameters measured by experiments. The elastic modulus index of the improved model is determined by grinding force data under numerical conditions. Finally, the surface roughness is predicted by using the improved and determined undeformed chip thickness model, and compared with the surface roughness values measured under the same process conditions. The prediction accuracy of the improved model is analyzed and evaluated. According to the technological parameters of grinding and polishing of robot belt wheel, the accurate prediction of surface roughness of workpiece with complex surface can be realized effectively, and the universality of the model in theoretical modeling can be improved.

【技术实现步骤摘要】
一种考虑加工弹性变形的机器人砂带磨抛表面粗糙度预测方法
本专利技术涉及基于工业机器人自动化加工
，具体涉及一种考虑加工弹性变形的机器人砂带磨抛表面粗糙度预测方法。技术背景以工业机器人为执行手段的砂带磨抛是提升复杂曲面零件加工表面质量和精度的重要工艺。作为评价磨抛加工效果的关键指标，表面粗糙度建模及预测一直是该领域的研究热点。现有的表面粗糙度建模方法主要是基于刚性接触的未变形切屑厚度来建立表面粗糙度预测模型，而在机器人砂带磨抛加工中工件及砂带接触轮均存在弹性变形，实际的切屑厚度发生变化，如采用现有的基于刚性接触未变形切屑厚度的表面粗糙度预测模型进行机器人砂带磨抛加工表面粗糙度预测，会影响预测精度，因而未变形切屑厚度模型的准确性直接决定了表面粗糙度预测精度。
技术实现思路
本专利技术就是针对现有技术的不足，提供了一种考虑加工弹性变形的机器人砂带磨抛表面粗糙度预测方法，它可根据机器人砂带轮磨抛加工的工艺参数有效实现复杂曲面工件表面粗糙度的精准预测，提升该模型在理论建模中的普适性。为了实现上述目的，本专利技术所设计的考虑加工弹性变形的机器人砂带磨抛表面粗糙度预测方法，其特征在于，包括以下步骤：S1建立考虑加工弹性变形的未变形切屑厚度模型：该模型包括工件和接触轮弹性模量与未变形切削厚的关系；S2求解考虑加工弹性变形的未变形切屑厚度模型：基于不同加工工艺条件下的实际试验值，求解所述模型中的关系参数。进一步地，所述步骤S1中工件和接触轮弹性模量与未变形切削厚的关系为指数关系，所述模型具体为：其中，E1表示接触轮的弹性模量，E2表示工件的弹性模量，vm工件进给速度；vs接触轮线速度；ae磨抛深度；deq接触轮当量直径；r为切屑宽厚比工件实际最大切屑厚度hm'。更进一步地，所述步骤S2的具体过程包括：S2.1设计多组试验；S2.2基于现有的刚性接触未变形切屑厚度模型求出未变形切屑厚度hm；根据砂带轮所提供的能量等于去除材料所需的能量，建立等式：Ftvs＝Ec*QwQw＝(Cbsvs)Vc式中Ec表示切削比能，Qw表示材料去除率，bs为砂轮宽度，Vc为各个切屑片体积，假设一个切屑片为抛物线截面，Vc可以近似为最大横截面积(r*hm'2/2)的1/3，，Vc的计算式为则等式可化简为：通过等式求出工件实际最大未变形切屑厚度hm'。S2.3、将未变形切屑厚度hm和实际最大切屑厚度hm'代入考虑加工弹性变形的未变形切屑厚度模型反解出指数n，并将各组数据算出的指数n取平均值naverage，确定未变形切屑厚度模型：再进一步地，所述设计试验的具体过程为：通过操作台离线编程对机器人进行路径规划，并采用P240、P100粒度的砂带，分别在800rpm，1200rpm，1600rpm的砂带转速、法向力分别为40N，60N，80N，工件进给速度恒为50mm/s的条件进行18组加工试验并整理试验数据。优选地，本专利技术还包括步骤S3模型验证及预测精度评估：通过比较相同工艺参数条件下的预测表面粗糙度值和实测表面粗糙度值，验证并评估S2所确定的模型的预测精度。本专利技术的优点在于：本申请在现有的刚性接触的未变形切屑厚度模型的基础上充分考虑弹性变形对切屑厚度模型精度的影响，引入工件、砂带接触轮弹性模量的修正值，建立一个适用于机器人砂带磨抛的未变形切屑厚度模型；并基于砂带轮所提供能量与去除材料所需能量的相等关系，利用试验测量的不同工艺参数条件下的磨抛力数据确定改进模型中的弹性模量指数；最后，利用改进并确定的未变形切屑厚度模型进行表面粗糙度预测，并与相同工艺条件下测量的表面粗糙度值进行比较，分析并评估改进后模型的预测精度。。附图说明图1为本专利技术实施例的结构示意图。图2为砂带接触轮弹性变形示意图。图3为不考虑加工弹性变形的未变形切屑厚度几何示意图。图4为考虑加工弹性变形的未变形切屑厚度几何示意图。图5为本专利技术实施例具体流程图。图6为本专利技术实施例的实验结果对比图。图中：1-工作站操作台、2-机器人控制柜、3-机器人本体、4-力控单元、5-工件夹具、6-试块、7-砂带磨抛机、8-磨抛控制柜、9-砂轮机、10-防护栏。具体实施方式下面结合附图和具体实施例对本专利技术作进一步的详细描述：如图1-图5所示，现有的机器人砂带磨抛系统包括力控机器人和打磨机构。力控机器人包括机器人本体3、机器人控制柜2、安装在机器人末端的力控单元4和夹持工具5，其中夹持工具主要用于夹持试块6。打磨机构主要是应用于对工件加工面的打磨。在本专利技术的实施例中，如图1所示，整个加工过程在防护栏10中进行，打磨机构包括砂带磨抛机7、磨抛机控制柜8、砂轮机9。砂带磨抛机主要用于磨抛加工面，磨抛机控制柜主要用于控制磨抛作业、实时监测系统状态并将相关数据传输给操作台1等。不同于传统砂轮磨抛，砂带磨抛的特点是砂带接触轮与工件接触瞬间会发生显著的弹性变形，从而导致磨抛深度发生明显变化，因此在其未变形切屑厚度建模中需要重点考虑这一现象。基于以上问题，本申请将现有的砂轮磨抛未变形切屑厚度模型进行改进，通过考虑砂带接触轮和工件接触时产生的加工弹性变形，建立一个适用于机器人砂带磨抛的未变形切屑厚度模型，并基于该模型提出表面粗糙度的预测新方法。本专利技术所设计的一种考虑加工弹性变形的机器人砂带磨抛表面粗糙度预测方法包括以下步骤：S1、考虑接弹性变形的未变形切屑厚度建模。针对机器人砂带磨抛过程中接触轮和工件之间出现的显著弹性变形，在现有的刚性接触未变形切屑厚度模型基础上进行改进，在模型中引入接触轮和工件的弹性模量，使改进后的模型符合实际加工情况。所述的改进后未变形切屑厚度模型建模步骤包括：S1.1、工件和砂带轮弹性模量的确定。弹性变形是指在机器人夹持工件进行砂带磨抛加工时，工件与砂带轮接触会因为力的作用而产生细微的变形，造成工件加工的几何精度下降，在模型中引入弹性模量就是为了修正这部分误差。在相同应力的条件下，低弹性模量的砂带接触轮的变形量大于高弹性模量砂带接触轮的变形量，因此，对于弹性模量较低的砂带接触轮，最大切屑厚度的减小量更大。同样的，弹性模量较高的工件会使砂带接触轮的变形更大，因此对于具有较高弹性模量的工件，切屑厚度的减小量更大。结合上述两种效应，可知最大切屑厚度模型正比于接触轮弹性模量与工件弹性模量的比值，因此三者的关系可表示为：式中的E1表示砂带接触轮的弹性模量，E2表示工件的弹性模量。砂带接触轮是由铝合金的实心圆轮和橡胶外圈组成，如图1所示，其中F为加工过程中的法向力，r1、r2分别是接触轮的内径和外径，砂带接触轮的弹性模量计算如式(2～5)。dL＝dL1+dL2(4)其中dL1、dL2和dL分别是接触轮的铝合金部分、橡胶部分和整个砂带轮在径向上的压缩量，S为砂带轮与工件的接触面积，E'1为接触轮铝合金部分的弹性模量，E'2为接触轮橡胶部分的弹性模量，E2，E'1和E'2均可通过查表可得。S1.2、工件和砂带轮的弹性模量分别与未变形切屑厚度的关系确定。基于最大切屑厚度模型正比于接触轮弹性模量与工件弹性模量，建立的模型为：其中，vm工件进给速度；vs接触轮线速度；ae磨抛深度；deq接触轮当量直径；r为切屑宽厚比；hm'为工件实际最大切屑厚度。S2求解模型：基于不同加工工艺条件下的实际试验值，求解所述模型中的关系参本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种考虑加工弹性变形的机器人砂带磨抛表面粗糙度预测方法，其特征在于，包括以下步骤：S1建立模型：该模型包括工件和接触轮弹性模量与未变形切削厚的关系；S2求解模型：基于不同加工工艺条件下的实际试验值，求解所述模型中的关系参数。

【技术特征摘要】
1.一种考虑加工弹性变形的机器人砂带磨抛表面粗糙度预测方法，其特征在于，包括以下步骤：S1建立模型：该模型包括工件和接触轮弹性模量与未变形切削厚的关系；S2求解模型：基于不同加工工艺条件下的实际试验值，求解所述模型中的关系参数。2.根据权利要求1所述的考虑加工弹性变形的机器人砂带磨抛表面粗糙度预测方法，其特征在于：所述步骤S1中工件和接触轮弹性模量与未变形切削厚的关系为指数关系，所述模型具体为：其中，E1表示接触轮的弹性模量，E2表示工件的弹性模量，vm工件进给速度；vs接触轮线速度；ae磨抛深度；deq接触轮当量直径；r为切屑宽厚比工件实际最大切屑厚度hm'。3.根据权利要求2所述的考虑加工弹性变形的机器人砂带磨抛表面粗糙度预测方法，其特征在于：所述步骤S2的具体过程包括：S2.1设计多组试验；S2.2基于现有的刚性接触未变形切屑厚度模型求出未变形切屑厚度hm；根据砂带轮所提供的能量等于去除材料所需的能量，建立等式：Ftvs＝Ec*QwQw＝(Cbsvs)Vc式中Ec表示切削比能，Qw表示材料去除率，bs为砂轮宽度，Vc为各个切屑片体积，假设一个切屑片为抛物线截面，Vc...

【专利技术属性】
技术研发人员：朱大虎，吕远健，渠超，华林，
申请(专利权)人：武汉理工大学，
类型：发明
国别省市：湖北,42