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机器人砂带磨削仿真的局部过程模型摘要 通过一个局部模型来估计在机器人砂带磨削的过程中的材料磨削率模拟系统。通过将工件的局部几何信息参数相结合，而非利用工件的切削深度，从而计算出所受作用力的大小，并将其作为一个整体的磨削模型。在稳定的切削条件下，即使是非均匀接触，仿真精度的误差也能控制在5%以下。1.简介 利用砂带磨削作为一种精加工工艺，可以实现很高的材料磨削率，使加工工件获得良好的表面质量。它是一项效率很高的工作，尤其是因为它同时也改善了工作的控制力，所以不需要额外的预处理和善后工作。通过整合多自由度的工业机器人作为机械臂，可以形成柔性制造单元，它特别适合于加工表面的几何形状比较复杂的工件，如涡轮叶片或水龙头。砂带磨削过程的典型情况如图1所示。在旋转的接触轮上，磨轮与工件表面进行接触，对工件表面进行材料磨削。但对于机器人程序员来说，能够正确定义自由曲面工件的磨削路径仍然是一项难度系数较高的工作。 这篇文章主要描述了一个磨削模型，能够有助于程序员提高工作效率，模拟磨削过程和预测其结果。图1 砂带磨削过程1.1相关工作 由于其复杂性和非线性，如今砂带磨削工艺的优化在行业中仍然是一个最具挑战性的问题。磨削槽通常使用一个弹性接触轮来支撑皮带作为切削刃。与其他磨削加工一样，磨削完成后的表面具有许多参数，包括磨削参数和磨削带的表面形状特征。前者的主要参数包括皮带速度、进给速度、工件的几何形状和带预紧力，后者包括的信息如粒度，粒距，磨损率等。 在过去的几年中，已经采取过很多方法来提高磨削加工的质量。最常用的方法是使用磨削模型来进行模拟输出从而进行优化，也叫作基于模型的优化。通常有三种主要建模技术用于估计磨削速度。第一种方法是考虑工件和一个单一晶粒之间的相互作用。磨削的最终结果如表面质量和材料磨削率，可以通过模拟预测[1]。它已经应用到最近生产的表面磨削工具。通过对磨削过程中的活动磨粒及其攻角进行识别，实现了磨削过程的运动学仿真[2-5]。第二种方法是试图将所有的磨削过程中的结果数据建立出一个数学关系。进行大量的实验对其中各参数的影响进行研究，然后通过统计分析相关模型[6]。最后一种方法研究了另一个方面，如磨粒特征强度、晶粒尺寸的影响，几何特性和热分析，然后将它们整合成一个整体的模型[7]。同时纳入一些智能算法以建立更广义的模型[8]。由于自粘结磨料的研究是相当复杂的，故而第一种方法很难适用于实际生产。更为合理的方法是把第二、第三种方法的优点结合起来。首先研究磨削过程对工件的影响，然后依次进行一系列的实验。得出这些因素之间的复杂关系，以及它们对结果的影响，同时也可以使用现代统计方法从实验结果中得出结论[9]。1.2 研究目的 大多数研究的模型都把加工表面看作是一个整体，在局部视图中不考虑接触状态。对每一个参数进行研究，在磨削模型中定量一个值，例如整体的力，整体的磨削率等，因此，这些模型被称为整体磨削模型，适用于加工简单形状的工件表面同时也有助于定性研究粉磨工艺。但对于自由曲面磨削，粗糙的整体关系已难以满足需要。本文提出了局部模型的概念，研究工件的局部几何信息及其对最终磨削的影响。通过将此模型集成到一个仿真系统中，机器人程序员可以输出一个模拟优化路径。局部过程模型 磨削仿真系统是从工件的原料增量减去材料，但是它不能像车削或铣削加工过程那样，在刀具和工件之间使用布尔集合运算。相反，计算应根据经验过程模型。由于存在不确定的切削刃和大量的影响参数，所以这些磨削变量之间的关系应当在经验的基础上得出结论。自由曲面的磨削加工涉及到多个工艺变量，可以同时影响加工表面的材料磨削率、形状和表面粗糙度。在这种一个复杂的情况中，由Hamann[6]给出的线性整体磨削模型已经不适用了。特别是必须考虑在接触区域的局部非均匀力分布,其他制造参数的影响也需要进行研究。因此，应研究局部磨削过程模型，从而更准确地近似磨削。它可以分为三个步骤：接触情况的确定，力分布计算和磨削计算。第一步描述了磨削带和工件之间的几何求交，这将用于获得在第二阶段的接触面积上的压力。然后运用其他参数来获得最终的磨削结果。整个过程如图2所示。2.1接触情况 实验证明磨削率不仅取决于磨削参数，同时也受工件形状的影响。该磨床的动态特性主要取决于工件和零件之间的接触情况（各种支持和磨削带）。因此有必要进行详细的接触建模。磨削接触需要特殊的处理，因为它从工件的坯料进行磨削，改变了原来的几何形状。因此，在磨削率计算的第一步，需要建立数据关联。通常用一个所谓的高度模型来描述其与工件的磨削点在接触轮的切线曲面，然后将这个接触转移到一个有限元模型（有限元法）来计算力的分布。为适应有限元法的要求，必须建立一种基于高度模型的规则网格网格。 在这项工作的应用处理中，工件由离散点表示和相关的正常，是一种形状模型适用于自由曲面