[发明专利]一种基于切削力分解模型的机器人砂带磨抛效率精确评估方法

说明书

本发明公开了一种基于切削力分解模型的机器人砂带磨抛效率精确评估方法，首先将砂带磨抛过程中的切向力分解为滑擦力、耕犁力和切削力三个分力，并建立磨抛过程的总摩擦系数模型以及滑擦摩擦系数模型；然后通过砂带磨粒真实几何形状建立耕犁摩擦系数模型；计算测量不同工艺参数实验条件下的材料去除率，通过线性拟合得到材料去除率为零的条件下的总摩擦系数；根据获得的总摩擦系数，分别推导出切向力中的滑擦力、耕犁力和切削力；建立砂带磨抛中的比切削能以及三个分力的比能模型，计算机器人砂带磨削效率。通过本发明专利，能更精确地评估机器人砂带磨抛过程中影响磨抛效率的主要工艺参数，能在降低能源消耗的基础上大幅度提升砂带磨抛效率。

技术领域

本发明属于机器人高效高精磨抛加工技术领域，具体涉及一种基于切削力分解模型的机器人砂带磨抛效率精确评估方法。

背景技术

机器人砂带磨抛加工是一种新兴发展的机器人集成应用技术。相对于传统的手工磨抛和多轴数控机床砂带磨抛方式，机器人磨抛能充分发挥其柔性好、成本低、可扩展力控等优势，被广泛应用于提升航空发动机叶片、叶盘、叶环等复杂曲面零件的加工精度和表面质量。随着机器人磨抛加工复杂曲面的研究成果逐渐丰富，可以发现目前国内外公开发表的文献多集中在对机器人路径规划、机器人姿态控制、系统标定与在线测量等方面，而对机器人加工状态下的材料去除机理研究甚少，有待进一步探索和完善。

比能是表征金属切削过程中能量分配的一个重要参数，有利于加深理解材料去除机理，并进一步提升切削加工过程有效性和效率。目前，有学者已经从能量分析的角度提出了一些砂带磨抛机理的表征方法，例如Khellouki等人在研究中(“Energetic analysis ofcutting mechanisms in belt finishing of hard materials”,2013；227:1409-1413)提出了一种基于切削力的能量分析方法用来理解砂带磨抛机理，但分析过程中没有考虑耕犁力的影响，导致最终的磨抛效率估算结果偏大，不能精确评估砂带磨抛的有效性。实际上，金属切削加工过程中，耕犁力显著影响总摩擦系数，并直接决定能量消耗的大小。另外，Ma等人在研究中(“Assessment of cutting energy consumption and energy efficiencyin machining of 4140 steel”,2014；74:1701-1708)从宏观层面评估了金属切削过程中不同工艺参数条件下的能量消耗以及切削效率，发现降低刀具刃口半径和前角将显著提升切削效率，而切削速度和刀尖半径对切削效率影响较小，但对于微观切削力层面则没有更深入的探讨。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：提供一种基于切削力分解模型的机器人砂带磨抛效率精确评估方法，能够在降低能量消耗的基础上最大程度地提升加工效率，从而对加工过程进行更好的控制。

本发明为解决上述技术问题所采取的技术方案为：

一种基于切削力分解模型的机器人砂带磨抛效率精确评估方法，其特征在于：它包括以下步骤：

S1、将砂带磨抛过程中的切向力分解为滑擦力、耕犁力和切削力一共三个分力，并建立磨抛过程的总摩擦系数模型以及滑擦摩擦系数模型；

S2、考虑砂带磨粒真实几何形状，建立耕犁摩擦系数模型；

S3、通过切向力分解的切削力与磨抛过程中材料去除率的对应关系，进一步确定用材料去除率表示的总摩擦系数模型；

S4、计算不同工艺参数实验条件下的材料去除率和对应的总摩擦系数，通过线性拟合得到材料去除率和总摩擦系数的线性关系公式，通过线性关系公式推导出材料去除率为零的条件下的总摩擦系数，上述材料去除率通过工件打磨的几何尺寸测量并计算得到，总摩擦系数通过力传感器测定切向力和砂带磨抛过程中的法向力做比值计算得到；

S5、根据获得材料去除率为零的总摩擦系数，用模型公式计算的耕犁摩擦系数和滑擦摩擦系数，分别推导出切向力中的滑擦力、耕犁力和切削力；