基于视觉与边界元法的复杂曲面砂带磨削接触状态快速获取

机器人砂带磨削具有高的加工表面质量与效率,但是在加工复杂曲面部件时,难以确定的局部接触状态导致加工过程的精度难以保证,限制了其在高端产业的应用。目前的局部接触状态计算方法难以满足加工中对计算效率的要求。因此,本研究首先对比分析了FEM与BEM在计算接触状态方面的结果,提出采用机器视觉识别砂带上的磨削痕迹得到磨削区宽度,并将其作为BEM的边界条件,最终实现了局部接触状态的快速获取。该方法能够在1 s内计算得到18 mm×18 mm区域大小,精度0.2 mm点云轮廓的接触状态,与FEM计算结果对比,最大误差不超过5.6%。     

基于灵活磨削空间的面向复杂型面工件的机器人砂带磨削系统的结构尺寸优化研究(英文)

为了提高机器人砂带磨削系统加工复杂型面工件的磨削质量,提出了灵活磨削点和灵活磨削空间的概念,并且对其进行了定义。分析了影响灵活磨削空间的各种因素,提出了确定灵活磨削空间的方法。基于粒子群法,提出了一种通过优化磨削机器人的结构尺寸以及机器人相对于磨削轮的位置关系以获得足够灵活磨削空间的策略。最后,以磨削航空发动机叶片为例,利用本文提出的优化策略对一台专用的PPPRRR型磨削机器人的结构尺寸以及此机器人相对于磨削轮的位置关系进行了优化。仿真结果表明,如果叶片被置于此灵活磨削空间内,那么仅需使用一套夹具和一台磨削机即可实现复杂型面的磨削。     

航空发动机叶片机器人精密砂带磨削研究现状及发展趋势

航空发动机叶片的型面精度及表面完整性对其疲劳寿命和气流动力性等影响巨大。机器人砂带磨削由于其灵活性好、易于调度、通用性强等特点成为提高叶片表面完整性的有效加工方法之一，但是工业机器人一般仅适用于粗加工，而对于半精加工以及精加工，提高机器人的定位精度是决定加工质量的关键问题。因此，对航空发动机叶片机器人砂带磨削研究现状进行归纳总结，为实现叶片精密磨削提供参考。首先，对叶片机器人砂带磨削系统的组成和结构形式进行了论述，从磨削接触廓形、材料去除规律和表面完整性等方面对砂带磨削机理进行了分析；其次，分别从基于CAD模型、数学模型和人工知识学习三方面总结了叶片机器人砂带磨削轨迹规划方法；然后，对叶片机器人砂带磨削运动控制技术研究进行了介绍，并分析了叶片机器人砂带磨削系统及集成技术；最后，对航空发动机叶片机器人砂带磨削研究现状进行了总结，在此基础上对其发展趋势进行了分析。     

基于压缩量偏差约束的整体叶盘砂布轮数控抛光路径规划

数控抛光是实现整体叶盘叶片表面光整加工自动化、高效化的关键技术,而抛光路径规划对表面质量有着显著的影响。在抛光曲面时,砂布轮沿接触曲线上的径向压缩量偏差导致材料去除量一致性较差。针对该问题,提出一种基于压缩量偏差约束的路径规划方法。通过对砂布轮受曲面挤压变形几何分析,建立了自由曲面抛光接触线上砂布轮压缩变形量分布模型。在给定刀触点处,以接触曲线上最大压缩量偏差最小化为评价指标构建了刀轴矢量优化模型,并利用改进的粒子群优化（PSO）算法进行求解。基于最优刀轴矢量,完成自由曲面上等参数相邻刀触轨迹曲线的计算。最后,通过数据对比和试验,验证了所提方法的正确性和有效性。结果表明,抛光区域的轮廓度、粗糙度均得到明显的改善。     

复杂曲面零件五轴加工刀轴整体优化方法

 针对复杂曲面零件五轴加工中刀轴矢量变化剧烈、严重影响工件表面加工质量的问题,提出一种基于临界约束的五轴刀轴矢量整体优化方法。首先,构造了给定切触点处所有可行摆刀平面,并在摆刀平面内根据临界约束计算出临界刀轴矢量,在获得临界刀轴矢量的基础上,对其进行平面映射,建立了刀轴摆动的初始可行域;其次,通过对初始可行域进行均匀离散,根据离散点之间相对位置关系构造邻接矩阵,并结合最短路径搜索算法获得了初始参考刀轴,从而构造了新的刀轴摆动可行域;最后,建立当前切削行内无干涉且相邻刀轴变化最小的刀轴矢量优化模型,实现自由曲面五轴加工无干涉刀轴矢量的光滑控制。两种自由曲面叶轮的加工算例分析表明,采用本文方法获得的刀轴矢量可以明显改善机床的运动性能,避免了刀具干涉的产生,可提高复杂曲面零件的加工质量与效率。     

复杂曲面五坐标加工中双线驱动刀轨规划(英文)

针对目前利用包含环面刀具等多种刀具加工复杂曲面时普遍存在的不能实现一阶连续问题,本文提出了一种复杂曲面五坐标加工中双线驱动刀轨规划算法。该方法首先利用多点法来优化每一个刀位,从而获得整行刀轨的最大加工带宽,于是可以在工件曲面上确定两条驱动线。然后,在保证刀轨光顺的前提下,使刀具沿着两条驱动线滑动,且在每个刀触点处都重新定位刀具。最后,通过仿真和加工试验来验证该方法的有效性,并利用三坐标测量机对加工型面进行了测量,结果表明该方法能有效地消除相邻刀轨衔接处的尖锐残高、保证刀轨的光顺性和提高曲面的加工质量。     

机器人磨抛复杂曲面加工轨迹对表面质量的影响研究

为了探究不同加工轨迹及其排布对工件磨抛加工表面质量的影响,本文进行了机器人磨抛轨迹对工件表面质量影响规律的研究。基于Preston去除方程和Hertz接触理论建立了砂带磨抛加工材料去除深度模型,分析了表面残留纹理的生成机理。以曲面航空发动机叶片为试验样件,利用自行搭建的机器人磨抛系统,分别使用等距轨迹、摆线轨迹进行加工试验,分析材料去除效果及表面纹理情况。试验结果表明,采用传统直线加工的等距轨迹于搭接处产生条带状纹理;摆线因其多方向性的加工动作,均化了表面纹理,提高了加工表面一致性。     

叶片型面刀位计算方法分析

为实现汽轮机７００ｍｍ扭叶片型面的数控砂带磨削精加工,通过分析研究有关现有文献的刀位计算方法,提出采用鞍形曲面法,对由离散型值点给出的汽轮机扭叶片,可以确定其宽行线接触加工的刀位轨迹,以实现叶片型面的数控砂带磨削精加工。     

机器人自适应砂带磨削镍基高温合金精铸叶片试验研究

镍基高温合金精铸叶片由于其铸造余量大、定位无基准等,在加工时难以保证其加工精度。采用机器人砂带磨削方式并结合自适应加工技术,对镍基高温合金航空发动机精铸叶片进行磨削。通过对精铸叶片采用三坐标6点迭代的方式,确定航发叶片相对于夹具的位置;然后进行轨迹规划并提取点位信息,建立四阶齐次矩阵反求出机器人运动轨迹,保证磨削位姿和磨削参数;最后根据叶片型面余量信息,采用自适应加工方法,对航发精铸叶片进行定量的材料去除,保证其加工精度。     

精密砂带振动磨削研抛头架

清华大学最新研制出的精密带式振动磨削研抛头架，是将砂带磨削。研抛和振动加工结合起来，形成复合加工，是一种新型精密加工和超精密加工方法．它不仅可以用来加工工程上常用的黑色金属、有色金属等工程材料，而且有效地解决了一些难加工材料工件的加工问题。该加工方法可对工件进行外圆、平面及成形表面的加工，达到高精度和低表面粗糙度值．研抛头架可以安装在多种规格的车床上或专用磨床上，使之成为这类机床的一个附加部件，代替外圆磨床对回转体工件进行外圆及端面的磨削加工，使之在工件一次装夹中完成粗磨、半用磨。精磨及研抛等精…     

Dual Drive Curve Tool Path Planning Method for 5-axis NC Machining of Sculptured Surfaces

The problem of finished surface being not first-order continuous commonly exists in machining sculptured surfaces with a torus cutter and some other types of cutters. To solve this problem, a dual drive curve tool path planning method is proposed in this article. First, the maximum machining strip width of a whole tool path can be obtained through optimizing each tool position with multi-point machining (MPM) method. Second, two drive curves are then determined according to the obtained maximum machining strip width. Finally, the tool is positioned once more along the dual drive curve under the condition of tool path smoothness. A computer simulation and cutting experiments are carried out to testify the performance of the new method. The machined surface is measured with a coordinate measuring machine (CMM) to examine the machining quality. The results obtained show that this method can effectively eliminate sharp scallops between adjacent tool paths, keep tool paths smooth, and improve the surface machining quality as well as machining efficiency.     

Application of novel force control strategies to enhance robotic abrasive belt grinding quality of aero-engine blades

Robotic belt grinding has emerged as a finishing process in recent years for machining components with high surface finish and flexibility.The surface machining consistency, however,is difficult to be guaranteed in such a process.To overcome this problem, a method of hybrid force-position control combined with PI/PD control is proposed to be applied in robotic abrasive belt grinding of complex geometries.Voltage signals are firstly obtained and transformed to force information with signal conditioning methods.Secondly, zero drift and gravity compensation algorithms are presented to calibrate the F/T transducer which is installed on the robot end-effector.Next, a force control strategy combining hybrid force-position control with PI/PD control is introduced to be employed in robotic abrasive belt grinding operations where the force control law is applied to the Z direction of the tool frame and the positon control law is used in the X direction of the tool frame.Then, the accuracy of the F/T transducer and the robotic force control system is analyzed to ensure the stability and reliability of force control in the robotic grinding process.Finally, two typical cases on robotic belt grinding of a test workpiece and an aero-engine blade are conducted to validate the practicality and effectiveness of the force control technology proposed.     

A trajectory planning method on error compensation of residual height for aero-engine blades of robotic belt grinding

While the traditional trajectory planning methods are used in robotic belt grinding of blades with an uneven machining allowance distribution, it is hard to obtain the preferable profile accuracy and surface quality to meet the high-performance requirements of aero-engine. To solve this problem, a novel trajectory planning method is proposed in this paper by considering the developed interpolation algorithm and the machining allowance threshold. The residual height error obtained from grinding e...     

航空发动机叶片叶缘随形磨抛刀路规划

航空发动机叶片是整机核心零件,其制造量占到30%以上。叶片叶缘具有大弯扭复杂曲面、薄壁圆角半径微小渐变、精度要求苛刻等特征,末端工序磨抛的精度和品质直接决定整机的性能与寿命。人工仍然是叶片叶缘磨抛的主要手段,然而粉尘危害健康、经验依赖性强、零件一致性差等不足决定了自动化磨抛是必然趋势。叶片叶缘自动化磨抛多采用砂轮横磨或纵磨的刀路规划方式,存在刀路不连续且分行密集、力控制困难等不足,易造成叶缘局部过切,难以保证圆角轮廓创成。为此,建立了砂带包络叶缘的螺旋进给力控磨抛工艺,提出了面族与复杂曲面高阶切触的随形磨抛路径规划方法,实现了叶片叶缘的宽行高效磨抛。首先对叶缘区域进行横磨刀路规划,然后依照圆弧拟合曲线原理进行高阶切触式包络段再规划,最后进行横纵混合磨抛路径规划实现螺旋式连续进给。针对航空发动机叶片开展仿真和实验验证,结果表明所提出的方法相比于传统的横磨或纵磨方法,可将刀触点减少78.8%,轮廓精度由-0.06~+0.07 mm提高到-0.015~+0.05 mm,表面粗糙度由R_a>3.2 μm提高到0.175 μm,并且有效保证了叶缘轮廓形状,避免了过切现象。     

叶片型面曲率属性对数控铣削加工过程的影响

提出了一种基于曲面曲率属性分析数控铣削加工过程的方法.该方法通过在构建的自由曲面上规划走刀轨迹,建立刀位轨迹等参数曲线,来分析等参数曲线曲率属性对加工干涉和加工带宽度的影响.同时,通过对刀位轨迹和残留高度与曲面曲率属性之间关系的研究,获得了影响数控铣削加工效率、加工精度及发生干涉的一些规律.此外,研究表明通过对刀具半径、残留高度与加工表面曲率之间的吻合关系曲线合理优化,可有效提高加工带宽度.试验结果证明该曲面曲率属性分析数控铣削加工过程的方法是有效的,加工效率可提高5%~8%.      

弧线齿面齿轮齿面接触分析

为了提高面齿轮副的强度并解决其磨齿问题,提出了弧线齿面齿轮副的一种新的加工方法,并研究其啮合特性.用有刀倾的刀盘旋转而成的切削面作为假想齿轮的齿面,模拟产形齿轮和被加工齿轮啮合过程.推导弧线齿面齿轮副齿面方程;根据两齿面在啮合过程中连续相切条件.建立了考虑安装误差的轮齿接触分析(TCA)模型;齿轮副计算机啮合仿真结果表...     

Five-axis flank milling tool path generation with curvature continuity and smooth cutting force for pockets

In order to ensure machining stability, curvature continuity and smooth cutting force are very important so as to meet the constraints of both cutting force and kinematics of machine tools. For five-axis flank milling, it is difficult to meet both of the constraints because tool path points and tool axis vectors interact with each other. In this paper, multiple relationships between tool path points and tool axis vectors with cutting force and kinematics of machine tools are established, and the strategies of corner-looping milling and clothoidal spirals are combined so as to find feasible solutions under both of the constraints. Tool path parameters are iterated by considering the maximum cutting force and the feasible range of the tool axis vector, and eventually a curvature continuity five-axis flank milling tool path with smooth cutting force is generated. Machining experimental results show that the conditions of cutting force are satisfied, vibration during the process of machining is reduced, and the machining quality of the surface is improved.     

飞机蒙皮机器人化制造曲面分片算法研究

为实现飞机曲面机器人加工的自动轨迹规划,研究了基于模型几何特征的飞机曲面分片算法。通过分析飞机构件加工的工艺参数信息,以表面加工允许的最大曲率或最大偏角为阈值,提出基于近似曲率的三角网格模型分片方法。以三角网格中任意面片为起点,沿网格邻接关系向外拓展联接,形成若干近似平面化的模型分片结构,当超过阈值时则停止拓展,从而得到一整片曲面。通过对飞机CAD模型进行分片,发现采用本文提出方法可以保证分片结果的均匀性,为后期加工轨迹自动规划规划提供保障。     

基于碟形砂轮磨齿的面齿轮包络残差研究

介绍了采用碟形砂轮磨削面齿轮的原理及过程,研究了齿廓包络和齿宽包络两种包络方式产生包络残差的机理.分别建立了两种加工方式下包络残差的计算模型和方法,并研究了所产生包络残差的特点.通过数值算例分析了包络过程中刀具周向进给角度、齿宽方向进给量以及碟形砂轮外径对齿面包络残差的影响规律.计算结果表明:齿宽包络比齿廓包络具有更高的效率.进行了以齿廓包络方式的面齿轮磨齿加工实验,当刀具周向进给角度分别取为2°,1°,0.5°及0.2°时,齿面表面粗糙度逐渐明显提高,齿面磨削加工印痕的数目和方向与包络仿真计算结果一致.初步证明根据包络残差计算结果选取合适的进给量参数,可以保证面齿轮磨齿加工的表面粗糙度水平并能提高加工效率.