一种磨抛接触力实时规划方法及系统技术方案

本发明专利技术属于磨抛接触力控制领域，并公开了一种磨抛接触力实时规划方法及系统，其根据材料去除模型及接触应力与接触力的关系式确定接触力初始规划模型；再确定接触面积与接触力的关系式及接触时间与刀具中心点速度的关系式；然后将两个关系式代入接触力初始规划模型中化简获得与待磨抛工件曲率相关的接触力规划模型；最后实时计算用于执行磨抛动作的刀具中心点走过的弧长，并根据刀具中心点轨迹弧长与待磨抛工件截面点曲率的映射关系确定对应的曲率，将该曲率代入接触力规划模型中计算获得对应的接触力，以此完成磨抛接触力的实时规划。本发明专利技术具有操作方便，可控性强等优点，适用于复杂自由曲面零件的磨抛接触力自动规划，实现自动化磨抛。

A real-time planning method and system for contact force of grinding and polishing

【技术实现步骤摘要】
一种磨抛接触力实时规划方法及系统
本专利技术属于磨抛接触力控制领域，更具体地，涉及一种磨抛接触力实时规划方法及系统。
技术介绍
随着科学技术发展日新月异，复杂曲面在航空航天、汽车、船舶等领域的应用日益广泛。这些曲面不能由初等解析曲面组成，难以获得自由复杂曲面的精确解析解，因此复杂曲面的精加工是亟待解决的制造难题。目前自由曲面的表面精加工主要有数控抛光技术和人工手工研磨的方式。其中，数控抛光技术存在数控机床价格昂贵和通用性差的缺点，而人工抛光劳动强度大，加工效率低，工作环境恶劣，同时工件精度受工人技术熟练程度影响很大，材料去除量一致性差，严重制约了工件的表面质量。与传统加工方式相比，机器人系统有着灵活性好，通用性强，易于拓展等优点，因此在磨抛领域得到广泛应用，但为了实现工件的有效磨抛，需对其接触力进行规划与设计。
技术实现思路
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本专利技术提供了一种磨抛接触力实时规划方法及系统，其通过构建接触力初始规划模型，再利用接触面积与接触力的关系式及接触时间与刀具中心点速度的关系式确定出与工件曲率相关的接触力规划模型，最后通过刀具中心点轨迹弧长与工件截面点曲率的映射关系确定曲率，基于该曲率及接触力规划模型即可计算出接触力，以此完成磨抛接触力的实时规划，具有操作方便，可控性强等优点，适用于复杂自由曲面零件的磨抛接触力自动规划，实现自动化磨抛。为实现上述目的，按照本专利技术的一个方面，提出了一种磨抛接触力实时规划方法，其包括如下步骤：S1根据材料去除模型及接触应力与接触力的关系式确定接触力初始规划模型：其中，F为接触力，ψ为单位接触面积的材料去除量，Ac为接触面积，kw为材料去除系数，Vr为刀具线速度，T为接触时间；S2确定接触面积Ac与接触力F的关系式及接触时间T与刀具中心点速度Vc的关系式；S3将接触面积Ac与接触力F的关系式及接触时间T与刀具中心点速度Vc的关系式代入接触力初始规划模型中化简获得与待磨抛工件曲率相关的接触力规划模型；S4实时计算用于执行磨抛动作的刀具中心点走过的弧长，并根据刀具中心点轨迹弧长与待磨抛工件截面点曲率的映射关系确定对应的曲率，将该曲率代入接触力规划模型中计算获得对应的接触力，以此完成磨抛接触力的实时规划。作为进一步优选的，所述接触面积Ac与接触力F的关系式具体为：其中，F为接触力，S为刀具宽度，v1为刀具泊松比，v2为零件泊松比，E1为刀具弹性系数，E2为零件弹性系数，R1为刀具半径，ρ为待磨抛工件截面点对应的曲率。作为进一步优选的，接触时间T与刀具中心点速度Vc的关系式具体为：其中，rc为刀具中心点曲率半径，S为刀具宽度，Vc为刀具中心点速度，r为待磨抛工件截面点对应的曲率半径。作为进一步优选的，所述刀具中心点曲率半径rc采用如下方式计算获得：当刀具与工件的接触面为凸曲面时，rc＝r+R1；当刀具与工件的接触面为凸曲面时，rc＝r-R1；当刀具与工件的接触面为平面时，rc＝r，其中，r为待磨抛工件截面点对应的曲率半径，R1为刀具半径。作为进一步优选的，待磨抛工件截面点对应的曲率ρ的大小由公式计算获得，且由第一法向量与第二法向量之间的夹角θ来确定其正负，其中，第一法向量为待磨抛工件截面点指向刀具中心点轨迹的单位法向量，第二法向量为待磨抛工件截面点曲率圆心指向工件截面点的法向量。作为进一步优选的，第一法向量与第二法向量之间的夹角θ采用如下公式计算：其中，Tn1为第一法向量，Tn2为第二法向量。作为进一步优选的，刀具中心点走过的弧长采用如下公式计算：Lk＝l2+…+li+…+lk其中，Lk为刀具中心点轨迹上第1点t1与第k点tk之间的弧长，l2为刀具中心点轨迹上第1点t1与第2点t2之间的弧长，li为刀具中心点轨迹上第i-1点ti-1与第i点ti之间的弧长，lk为刀具中心点轨迹上第k-1点tk-1与第k点tk之间的弧长。按照本专利技术的另一方面，提供了一种磨抛接触力实时规划系统，其包括如下模块：初始规划模型确定模块，用于根据材料去除模型及接触应力与接触力的关系式确定接触力初始规划模型：其中，F为接触力，ψ为单位接触面积的材料去除量，Ac为接触面积，kw为材料去除系数，Vr为刀具线速度，T为接触时间；关系式确定模块，用于确定接触面积Ac与接触力F的关系式及接触时间T与刀具中心点速度Vc的关系式；接触力规划模型生成模块，用于将接触面积Ac与接触力F的关系式及接触时间T与刀具中心点速度Vc的关系式代入接触力初始规划模型中化简获得与待磨抛工件曲率相关的接触力规划模型；接触力实时规划模块，用于实时计算执行磨抛动作的刀具中心点走过的弧长，并根据刀具中心点轨迹弧长与待磨抛工件截面点曲率的映射关系确定对应的曲率，将该曲率代入接触力规划模型中计算获得对应的接触力，以此完成磨抛接触力的实时规划。作为进一步优选的，所述关系式确定模块采用如下公式确定接触面积Ac与接触力F的关系式：其中，F为接触力，S为刀具宽度，v1为刀具泊松比，v2为零件泊松比，E1为刀具弹性系数，E2为零件弹性系数，R1为刀具半径，ρ为待磨抛工件截面点对应的曲率。作为进一步优选的，所述关系式确定模块采用如下公式确定接触时间T与刀具中心点速度Vc的关系式：其中，rc为刀具中心点曲率半径，S为刀具宽度，Vc为刀具中心点速度，r为待磨抛工件截面点对应的曲率半径。总体而言，通过本专利技术所构思的以上技术方案与现有技术相比，主要具备以下的技术优点：1.本专利技术通过材料去除模型及接触应力与接触力的关系式构建接触力初始规划模型，可得到影响接触力的直接影响因素，然后通过控制这些影响因素的值或者通过测量得到这些影响因素的值，进而计算相应的接触力大小。2.本专利技术再基于接触面积与接触力的关系式、接触时间与刀具中心点速度的关系式及接触力初始规划模型构建出接触力规划模型，该接触力规划模型与待磨抛工件曲率相关，以此通过获得待磨抛工件的曲率即可计算获得对应的接触力。3.本专利技术通过刀具中心点轨迹弧长与待磨抛工件截面点曲率的映射关系确定对应的曲率，具有实时方便，曲率数据可重复使用，可大大减少工作量，提高加工效率。附图说明图1是本专利技术实施例提供的一种磨抛接触力实时规划方法的流程框图；图2是凸曲面和凹曲面的判断示意图；图3是刀具中心点速度和切触速度的示意图；图4是刀具和工件曲面接触示意图。在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：1-刀具，2-工件曲面。具体实施方式为了使本专利技术的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本专利技术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专利技术，并不用于限定本专利技术。此外，下面所描述的本专利技术各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种磨抛接触力实时规划方法，其特征在于，包括如下步骤：/nS1 根据材料去除模型及接触应力与接触力的关系式确定接触力初始规划模型：

【技术特征摘要】
1.一种磨抛接触力实时规划方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1根据材料去除模型及接触应力与接触力的关系式确定接触力初始规划模型：其中，F为接触力，ψ为单位接触面积的材料去除量，Ac为接触面积，kw为材料去除系数，Vr为刀具线速度，T为接触时间；
S2确定接触面积Ac与接触力F的关系式及接触时间T与刀具中心点速度Vc的关系式；
S3将接触面积Ac与接触力F的关系式及接触时间T与刀具中心点速度Vc的关系式代入接触力初始规划模型中化简获得与待磨抛工件曲率相关的接触力规划模型；
S4实时计算用于执行磨抛动作的刀具中心点走过的弧长，并根据刀具中心点轨迹弧长与待磨抛工件截面点曲率的映射关系确定对应的曲率，将该曲率代入接触力规划模型中计算获得对应的接触力，以此完成磨抛接触力的实时规划。


2.如权利要求1所述的磨抛接触力实时规划方法，其特征在于，所述接触面积Ac与接触力F的关系式具体为：



其中，F为接触力，S为刀具宽度，v1为刀具泊松比，v2为零件泊松比，E1为刀具弹性系数，E2为零件弹性系数，R1为刀具半径，ρ为待磨抛工件截面点对应的曲率。


3.如权利要求1所述的磨抛接触力实时规划方法，其特征在于，接触时间T与刀具中心点速度Vc的关系式具体为：



其中，rc为刀具中心点曲率半径，S为刀具宽度，Vc为刀具中心点速度，r为待磨抛工件截面点对应的曲率半径。


4.如权利要求3所述的磨抛接触力实时规划方法，其特征在于，所述刀具中心点曲率半径rc采用如下方式计算获得：
当刀具与工件的接触面为凸曲面时，rc＝r+R1；
当刀具与工件的接触面为凸曲面时，rc＝r-R1；
当刀具与工件的接触面为平面时，rc＝r，其中，r为待磨抛工件截面点对应的曲率半径，R1为刀具半径。


5.如权利要求2所述的磨抛接触力实时规划方法，其特征在于，待磨抛工件截面点对应的曲率ρ的大小由公式计算获得，且由第一法向量与第二法向量之间的夹角θ来确定其正负，其中，第一法向量为待磨抛工件截面点指向刀具中心点轨迹的单位法向量，第二法向量为待磨抛工件截面点曲率圆心指向工件截面点的法向量。


6.如权利要求5所述的磨抛接触力实时规划方...

【专利技术属性】
技术研发人员：杨吉祥，李鼎威，陈霖，谭超，赵欢，丁汉，
申请(专利权)人：华中科技大学，
类型：发明
国别省市：湖北;42