航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片機(jī)器人精密砂帶磨削研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)

黃云，肖貴堅(jiān)，鄒萊

重慶大學(xué) 機(jī)械傳動(dòng)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶 400044

先進(jìn)航空發(fā)動(dòng)機(jī)是戰(zhàn)略性國(guó)防高科技裝備，是現(xiàn)代工業(yè)技術(shù)皇冠上的明珠，其加工制造能力是一個(gè)國(guó)家綜合實(shí)力的象征[1]。葉片作為航空發(fā)動(dòng)機(jī)的重大關(guān)鍵零件之一，在發(fā)動(dòng)機(jī)上占有重要地位，其型面精度和表面完整性及其一致性對(duì)服役環(huán)境下的疲勞壽命和氣流動(dòng)力學(xué)性能影響巨大[2]。隨著先進(jìn)航空發(fā)動(dòng)機(jī)推重比及續(xù)航時(shí)間等的不斷提高，對(duì)葉片的精密加工提出了更高的要求。

隨著市場(chǎng)需求的日益多樣化發(fā)展，當(dāng)前的葉片加工逐漸呈現(xiàn)出多規(guī)格、小批量的發(fā)展趨勢(shì)，對(duì)生產(chǎn)設(shè)備的靈活性、適應(yīng)性能力提出了更高的要求[3]。因此，相應(yīng)的生產(chǎn)設(shè)備不僅要保證足夠的加工精度，而且需要能夠快速轉(zhuǎn)變生產(chǎn)工藝，以適應(yīng)不同規(guī)格葉片的生產(chǎn)需求[4]。

目前葉片主要是通過精密銑削保證型面精度，但是由于葉片具有結(jié)構(gòu)剛性弱、材料難加工、型面復(fù)雜等特性，銑削加工以后難以保證葉片的真實(shí)型面形狀，例如，在葉片邊緣容易產(chǎn)生削邊、平頭、縮邊、鈍變、尖頭等形狀誤差，同時(shí)在葉片表面易形成微裂紋、殘余拉應(yīng)力、表面一致性差等缺陷。因此在葉片精密銑削以后必須要經(jīng)過磨削拋光以保證其形狀精度、提高表面完整性[5]。

國(guó)內(nèi)外采用了磨料流[6-7]、砂輪磨削[8-9]、砂帶磨削[10-11]以及手工拋光等方法，對(duì)于提升葉片表面完整性具有一定的作用。目前，工業(yè)機(jī)器人不僅應(yīng)用于搬運(yùn)、噴涂及焊接等簡(jiǎn)單作業(yè)，而且也開始應(yīng)用于諸如裝配、尺寸測(cè)量、磨削等精密作業(yè)，在汽車、航空航天、電力、船舶、醫(yī)療等國(guó)民經(jīng)濟(jì)重要領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。此外，經(jīng)過幾十年的研究與發(fā)展，工業(yè)機(jī)器人自身已經(jīng)形成了比較成熟的技術(shù)及產(chǎn)品，各國(guó)開始加大力量推進(jìn)機(jī)器人產(chǎn)業(yè)化的發(fā)展，工業(yè)機(jī)器人應(yīng)用系統(tǒng)整體性能的研究越來越受到人們的重視。

機(jī)器人砂帶磨削具有靈活性好、易于調(diào)度、通用性強(qiáng)、成本低的優(yōu)勢(shì)，在葉片的磨削加工中得到了的越來越多的應(yīng)用，成為提高葉片型面精度和表面完整性的有效方法之一[12-13]。使用工業(yè)機(jī)器人系統(tǒng)結(jié)合砂帶磨削對(duì)葉片表面進(jìn)行加工使之達(dá)到設(shè)計(jì)尺寸公差和表面質(zhì)量的精加工過程是解決葉片加工問題的有效手段，既可用于批量制造加工，也可作為一個(gè)柔性單元靈活嵌入自動(dòng)化生產(chǎn)線[14]。

但是由于機(jī)器人的重復(fù)定位精度較低、剛性不足等問題，這樣將極大地影響葉片機(jī)器人砂帶磨削表面質(zhì)量以及型面精度[15]。因此，設(shè)計(jì)開發(fā)高效率、高柔性、高精度的機(jī)器人自動(dòng)化砂帶磨削系統(tǒng)對(duì)于提高葉片加工精度具有重要的意義。

針對(duì)上述問題，對(duì)航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片機(jī)器人砂帶磨削研究現(xiàn)狀進(jìn)行歸納總結(jié)，為實(shí)現(xiàn)葉片精密磨削提供參考。首先，對(duì)葉片機(jī)器人砂帶磨削結(jié)構(gòu)及系統(tǒng)進(jìn)行了概述，并從磨削接觸廓型、材料去除規(guī)律和表面完整性等方面對(duì)機(jī)器人砂帶磨削機(jī)理進(jìn)行了分析；其次，分別從CAD、算法和知識(shí)三方面總結(jié)了葉片機(jī)器人砂帶磨削軌跡規(guī)劃方法；然后，對(duì)葉片機(jī)器人砂帶磨削運(yùn)動(dòng)控制技術(shù)研究進(jìn)行了介紹，并分析了葉片機(jī)器人砂帶磨削系統(tǒng)及集成技術(shù)；最后對(duì)航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片機(jī)器人砂帶磨削研究現(xiàn)狀進(jìn)行了總結(jié)。

1 葉片機(jī)器人砂帶磨削結(jié)構(gòu)及系統(tǒng)概述

隨著市場(chǎng)需求的日益多樣化發(fā)展，葉片呈現(xiàn)出多規(guī)格、小批量的發(fā)展趨勢(shì)，對(duì)生產(chǎn)設(shè)備的靈活性、適應(yīng)性能力提出了更高的要求。因此，國(guó)內(nèi)外研究機(jī)構(gòu)、企業(yè)等提出了用于葉片加工的工藝靈活性好的機(jī)器人砂帶磨削系統(tǒng)，能夠?qū)崿F(xiàn)快速轉(zhuǎn)變生產(chǎn)工藝，以適應(yīng)不同規(guī)格葉片的生產(chǎn)需求。

1.1 國(guó)外發(fā)展現(xiàn)狀

1996年開始的歐洲信息技術(shù)研究戰(zhàn)略計(jì)劃(ESPRIT)AMATEUR項(xiàng)目，參與的包括ZENO和STUBLI等七個(gè)單位，研制了渦輪機(jī)葉片維修的機(jī)器人修磨系統(tǒng)[16-17]，如圖1所示，該系統(tǒng)包括工業(yè)機(jī)器人、砂帶磨削機(jī)(帶力控制)、三維坐標(biāo)測(cè)量機(jī)、自動(dòng)路徑編程軟件等功能部件，能實(shí)現(xiàn)再制造葉片的修磨加工。

新加坡制造技術(shù)研究院研制了機(jī)器人修磨及拋光系統(tǒng)，解決了葉片個(gè)體間由于形變和扭曲而造成的幾何差異和磨削過程的動(dòng)力學(xué)問題[18]。UHLMANN和HEITMüLLER采用了自適應(yīng)機(jī)器人輔助砂帶磨削的方法進(jìn)行了渦輪葉片精密加工，如圖2所示，并通過力控的方法實(shí)現(xiàn)加工過程的自適應(yīng)，從而提高了加工效率以及加工精度[19-20]。

希臘ZENON公司的葉片機(jī)器人磨削系統(tǒng)如圖3所示，用于修復(fù)各種原因?qū)е碌娜~片邊緣缺損，將新材料焊接到葉片缺損部位，然后使用該系統(tǒng)對(duì)葉片進(jìn)行加工得到可再使用的葉片[21]。

圖1 再制造葉片機(jī)器人修磨系統(tǒng)[16]Fig.1 Robot grinding system for remanufacturing blade[16]

圖2 多用途機(jī)器人單元[20]Fig.2 Multi-purpose robot cell setup[20]

圖4和圖5分別為ACME、HUCK開發(fā)的雙接觸輪機(jī)器人磨削機(jī)，用于整體葉盤、風(fēng)扇葉片、鑄造葉片、導(dǎo)向葉片等型面工件的拋光，使用FANUC公司生產(chǎn)的機(jī)器人工件的姿態(tài)控制，包含藍(lán)光測(cè)量、在線標(biāo)定等，并且采用纖維輪、砂帶、尼龍輪等方式實(shí)現(xiàn)葉片全型面的自適應(yīng)加工，雙接觸輪磨削機(jī)可簡(jiǎn)化磨削過程中機(jī)器人姿態(tài)的控制，避免在運(yùn)動(dòng)過程中產(chǎn)生某個(gè)加工位置不能觸及的情況發(fā)生[1]。

圖3 ZENON葉片機(jī)器人磨削系統(tǒng)[21]Fig.3 Robotic blade grinding system of ZENON[21]

圖4 ACME機(jī)器人葉片磨削系統(tǒng)[1]Fig.4 Robotic blade grinding system of ACME[1]

圖5 HUCK機(jī)器人葉片磨削系統(tǒng)Fig.5 Robotic blade grinding system of HUCK

芬蘭FLEXMILL公司研發(fā)的R-series機(jī)器人砂帶磨削系統(tǒng)，集成了接觸式測(cè)量、在線標(biāo)定，實(shí)現(xiàn)了葉片機(jī)器人砂帶磨削加工，如圖6所示。

圖6 FLEXMILL R-series機(jī)器人砂帶磨削系統(tǒng)Fig.6 Robot belt grinding system of FLEXMILL R-series

1.2 國(guó)內(nèi)發(fā)展現(xiàn)狀

廊坊智通機(jī)器人公司使用瑞典ABB公司的工業(yè)機(jī)器人，集成一臺(tái)雙工位砂帶磨削機(jī)床和一臺(tái)拋光機(jī)床，主要用于葉片等復(fù)雜型面工件的磨削拋光加工，如圖7所示。

Wu等[22-23]研制了一種由2T1R型三自由度冗余驅(qū)動(dòng)并聯(lián)機(jī)構(gòu)和1T1R型兩自由度工作臺(tái)構(gòu)成的復(fù)合式五自由度冗余機(jī)器人，其采用了帶有旋轉(zhuǎn)對(duì)偶元件和導(dǎo)軌-滑塊機(jī)構(gòu)的子系統(tǒng)來提高機(jī)器人的剛度，并開展了葉片加工實(shí)驗(yàn)，如圖8所示。

圖7 廊坊智通機(jī)器人砂帶磨削系統(tǒng)Fig.7 Robot belt grinding system of Langfang Zhitong

楊旭[24]設(shè)計(jì)了一種具有曲面適應(yīng)性的新型葉片混聯(lián)拋磨機(jī)床，研究了混聯(lián)機(jī)床運(yùn)動(dòng)學(xué)逆解算法，并進(jìn)行了動(dòng)力學(xué)分析，如圖9所示。

Xu等[25]介紹了一種用于風(fēng)力機(jī)葉片磨削工作的機(jī)器人系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)操作力的兼容控制，建立了魯棒阻抗控制器，并對(duì)不確定性和存在的有界干擾進(jìn)行了建模。Xie等[26]建立了六自由度機(jī)器人柔性磨削系統(tǒng)，如圖10所示，分析運(yùn)動(dòng)姿態(tài)、接觸角度等加工工藝參數(shù)對(duì)磨削表面質(zhì)量以及磨削效率的影響關(guān)系，建立了定量回歸模型。

任旭[27]進(jìn)行了機(jī)器人砂帶磨削航發(fā)葉片關(guān)鍵技術(shù)的研究，運(yùn)用浮動(dòng)帶補(bǔ)償功能的磨頭結(jié)構(gòu)對(duì)葉片進(jìn)行砂帶磨削，探究了浮動(dòng)帶補(bǔ)償技術(shù)運(yùn)用在葉片機(jī)器人砂帶磨削的可行性，如圖11所示。

圖8 并聯(lián)機(jī)器人葉片砂帶磨削[22-23]Fig.8 Belt grinding blade of parallel robot[22-23]

圖9 葉片混聯(lián)拋磨機(jī)床[24]Fig.9 Mixing grinding machine tool for blade[24]

重慶大學(xué)聯(lián)合重慶三磨海達(dá)磨床有限公司、中航動(dòng)力股份有限公司等研制了葉片機(jī)器人多工位集成自適應(yīng)砂帶磨削系統(tǒng)，如圖12所示，該系統(tǒng)包含了檢測(cè)儀、自適應(yīng)末端執(zhí)行器、多功能砂帶磨頭、智能編程軟件及系統(tǒng)集成等，具備自動(dòng)上料、自動(dòng)打磨拋光、自動(dòng)檢測(cè)、自動(dòng)下料收集、自動(dòng)除塵等，并且能夠?qū)ο到y(tǒng)程序進(jìn)行存儲(chǔ)、故障檢測(cè)、報(bào)警處理、生產(chǎn)報(bào)表生成等功能，實(shí)現(xiàn)了葉片全型面的精密磨削。

圖10 機(jī)器人柔性磨削系統(tǒng)[26]Fig.10 Robotic flexible grinding system[26]

圖11 葉片全型面機(jī)器人砂帶磨削系統(tǒng)[27]Fig.11 Robotic belt grinding system for full-area blade[27]

圖12 葉片機(jī)器人自適應(yīng)砂帶磨削系統(tǒng)Fig.12 Robotic adaptive belt grinding system for blade

通過上述的分析可以看出，在葉片機(jī)器人砂帶磨削結(jié)構(gòu)及系統(tǒng)設(shè)計(jì)與制造方面，國(guó)內(nèi)外仍然有一定的差距，且部分研究仍然處于實(shí)驗(yàn)階段，還未到應(yīng)用階段，難以實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)加工，從而限制了該方法在葉片加工的進(jìn)一步推廣應(yīng)用。

2 葉片機(jī)器人砂帶磨削機(jī)理

葉片機(jī)器人砂帶磨削過程中影響表面質(zhì)量及型面精度的因素多且相互耦合，包含磨具材料、磨削速度、法向壓力、磨削時(shí)間和次數(shù)以及磨削軌跡的間距等，通過研究上述工藝參數(shù)間的關(guān)系，并建立工藝模型，獲取工藝信息，為實(shí)現(xiàn)機(jī)器人葉片精準(zhǔn)磨削建立理論基礎(chǔ)。

2.1 磨削接觸廓形分析

機(jī)器人砂帶磨削過程中由于接觸輪及砂帶(統(tǒng)稱為磨具)的柔性特性，磨具與葉片在接觸面的法線方向上具有較大變形，使接觸面壓力分布不均勻，這樣難以獲得壓力與材料去除的關(guān)系模型。因此建立揭示柔性接觸模型形成規(guī)律并建立機(jī)器人砂帶磨削與葉片之間的接觸模型，對(duì)于提高機(jī)器人砂帶磨削精度具有重要影響。

Blum和Suttmeier[28]借助力平衡方程和最小能量法建立一個(gè)有限元模型，該模型把接觸輪與工件之間接觸看作是Signorini接觸問題，對(duì)柔性接觸狀態(tài)下的定量磨削展開了相關(guān)研究工作，初步得到了砂帶定量磨削的數(shù)學(xué)模型，提供了采用砂帶磨削可以定量去除材料的可行性。Kuhlenk?tter等[29-30]通過輸入接觸狀態(tài)的有限元模型并輸出一個(gè)局部壓力分布，他們的模型并不是處理單純的物理問題，而是從所有的有效數(shù)據(jù)中選擇出訓(xùn)練數(shù)據(jù)，優(yōu)化并確定相關(guān)參數(shù)，求解二次優(yōu)化問題，最后得到支持向量，通過其訓(xùn)練試驗(yàn)表明，支持向量回歸方法的計(jì)算磨削狀態(tài)時(shí)間大為縮減，近似誤差不超過5%，效率提高了900倍。

Wang等[31]分析了帶張力引起的接觸輪的變形，以便準(zhǔn)確預(yù)測(cè)切割深度，采用基于冪級(jí)數(shù)法的彈性力學(xué)方法建立并求解張力模型，得到接觸輪的變形，用有限元軟件驗(yàn)證了分析模型的有效性。然后，建立了兩種改進(jìn)的磨削應(yīng)力分布模型，并對(duì)磨削深度分布進(jìn)行了預(yù)測(cè)，預(yù)測(cè)誤差小于3.1%。Ren等[32]利用了surfel表示的優(yōu)點(diǎn)來計(jì)算材料的去除率，并且可以很容易地保證最終的表面磨削誤差；同時(shí)開展了基于局部模型的機(jī)器人砂帶磨削仿真，首先通過接觸輪與工件接觸狀態(tài)的有限元分析，求解出工件曲面節(jié)點(diǎn)法向受力數(shù)據(jù)，并對(duì)其進(jìn)行了仿真[33-34]，如圖13所示。

張雷等[35]通過Archard方程推導(dǎo)出柔性接觸表面去除廓形，假定接觸輪與型面之間的接觸狀態(tài)符合赫茲彈性接觸理論的基本假設(shè)，法向接觸壓強(qiáng)呈半橢球分布，接觸區(qū)域?yàn)闄E圓。王亞杰等[36]基于半赫茲接觸理論建立了曲面砂帶磨削表面材料去除廓形的預(yù)測(cè)模型，并在此基礎(chǔ)上分析了接觸輪半徑、橡膠硬度、厚度比、接觸壓力以及工件半徑等因素對(duì)法向接觸壓強(qiáng)分布的影響規(guī)律，如圖14所示，其中t為時(shí)間(s，t1為開始時(shí)間，t3為壓力集中的時(shí)間，t5為結(jié)束時(shí)間，t2和t4為到壓力中值時(shí)間)，h(0)為深度(mm)，h′(0)為最大深度(mm)，Li為工件表面與垂直于進(jìn)給速度方向的平面的交線，Vs為砂帶的線速度(m/s)，Vw為進(jìn)給線速度(mm/min)，F(xiàn)n為接觸壓力(N)，xi為i點(diǎn)的磨削狀態(tài)，w是表面去除廓形的寬度(mm)。

圖13 計(jì)算材料去除的程序[33-34]Fig.13 Procedure of material removal calculation[33-34]

圖14 砂帶磨削接觸模型[36]Fig.14 Contact model for belt grinding[36]

通過上述文獻(xiàn)分析可以看出，國(guó)內(nèi)外對(duì)砂帶磨削接觸模型進(jìn)行了研究，但是對(duì)于機(jī)器人砂帶磨削接觸模型研究較少。有限元方法中，單元?jiǎng)澐謹(jǐn)?shù)量的多少在很大程度上決定了數(shù)值模型求解的計(jì)算復(fù)雜度。磨削加工是由大量的磨粒作用于工件的整體切削過程，若對(duì)所有磨粒都離散單元化，則模型變得復(fù)雜而且單元數(shù)量過多，模型的求解需要龐大的計(jì)算量；雖然赫茲彈性接觸理論能夠較好地解決曲面彈性接觸問題，但是磨削接觸狀態(tài)是否符合赫茲接觸理論以及該模型在砂帶磨削中的適用范圍均尚不明確，且該模型未考慮接觸輪橡膠的超彈性特點(diǎn)及厚度比(橡膠厚度與接觸半徑之比)對(duì)法向接觸壓強(qiáng)分布的影響，因此有必要進(jìn)行深入、全面的研究。

2.2 材料去除規(guī)律

砂帶磨削是一個(gè)極為復(fù)雜的過程，影響其磨削性能的因素很多，而且錯(cuò)綜復(fù)雜。在眾多的因素當(dāng)中，砂帶線速度、進(jìn)給速度以及磨削壓力等工藝參數(shù)對(duì)去除效率和加工質(zhì)量都有較大影響。

Chen等[41]提出了一種新的基于聲信號(hào)的檢測(cè)方法，該方法結(jié)合隨機(jī)森林(Random Forest, RF)分類器和多元線性回歸(Multiple Linear Regression, MLR)模型，檢測(cè)不同磨損周期，評(píng)估了鎳基高溫合金機(jī)器人砂帶磨削能力，通過對(duì)磨削聲的聲學(xué)特征和磨削砂帶條件的映射，對(duì)RF分級(jí)和MLR模型進(jìn)行了訓(xùn)練，并將其應(yīng)用于磨削砂帶條件的預(yù)測(cè)，測(cè)量精度超過94%。Zhang等[42]提出了一種基于聲音信號(hào)的自動(dòng)磨削系統(tǒng)磨料帶狀態(tài)實(shí)時(shí)定量監(jiān)測(cè)方法，采用快速傅里葉變換(Fast Fourier Transform, FFT)和離散小波分解(Discrete Wavelet Decomposition, DWD)對(duì)帶條件相關(guān)的聲音信號(hào)與原始信號(hào)進(jìn)行分離，利用最優(yōu)剪枝極限學(xué)習(xí)機(jī)(Optimally Pruned-Extreme Learning Machine, OP-ELM)建立新的數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)模型，結(jié)果表明在高頻區(qū)10～15 kHz時(shí)對(duì)砂帶磨損條件敏感，能快速、準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)砂帶磨削能力因子，如圖16所示。

Zhu等[43]對(duì)鈦合金機(jī)器人砂帶磨削的材料去除規(guī)律進(jìn)行了研究。Song等[44]對(duì)機(jī)器人復(fù)雜曲面砂帶磨削的材料精確控制方法進(jìn)行了研究，建立了面向工作環(huán)境的自適應(yīng)模型，最后通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了該方法的有效性。劉斐等[45]通過采用彈性力學(xué)平面問題的復(fù)變函數(shù)解法，建立了基于砂帶張緊而引起接觸輪變形的機(jī)器人砂帶磨削深度預(yù)測(cè)模型，模型預(yù)測(cè)誤差小于3.1%。呂洪波等[46]提出了融合先驗(yàn)知識(shí)的適應(yīng)學(xué)習(xí)建模方法，處理磨削量建模中突變因素的難題，通過虛擬樣本的形式把半經(jīng)驗(yàn)公式中蘊(yùn)含的信息融合到機(jī)器學(xué)習(xí)算法中，具有更快的速度和更高的精度。楊揚(yáng)等[47]提出了一種基于支持向量機(jī)(Support Vector Machine, SVM)回歸的磨削過程建模方法，分析了機(jī)器人進(jìn)給速率、接觸力、工件表面曲率與磨削量的關(guān)系，模型的預(yù)測(cè)精度達(dá)到90%以上。Song等[48]利用歷史的磨削數(shù)據(jù)作為訓(xùn)練樣本建立基于支持向量回歸的初始模型，該模型能夠跟蹤工作狀態(tài)變化和精確預(yù)測(cè)材料去除的磨削過程。呂洪波[49]應(yīng)用遷移學(xué)習(xí)、先驗(yàn)知識(shí)、粒子群算法等智能方法解決機(jī)器人修磨系統(tǒng)磨削量的精確控制問題。

圖15 沿著縱向方向的材料去除[40]Fig.15 Material removal along longitudinal direction[40]

通過上述的分析可以看，目前進(jìn)行機(jī)器人砂帶磨削材料去除方面的研究主要集中在分析工藝參數(shù)對(duì)材料去除的影響規(guī)律。砂帶磨削是一個(gè)極為復(fù)雜的過程，影響砂帶磨削材料去除效率的因素很多，比如：砂帶線速度、進(jìn)給速度、接觸壓力分布情況等磨削參數(shù)，而已有線性和非線性砂帶磨削材料去除效率的研究局限于工件為平面的材料去除率模型，未考慮接觸面壓強(qiáng)分布不均而造成的截面上材料去除量不均的問題；而基于Achard方程的去除體積磨削難以確定磨損系數(shù)。因此，還有待于進(jìn)一步的研究和深入的理論分析，建立精確的恒壓砂帶磨削材料去除率模型，結(jié)合工件曲面與接觸輪的法向接觸壓強(qiáng)分布模型，解決變曲率接觸狀態(tài)下金屬定量去除的難題。

圖16 機(jī)器人砂帶磨削監(jiān)測(cè)系統(tǒng)[42]Fig.16 Monitoring system of robot belt grinding[42]

2.3 磨削表面完整性分析

表面完整性對(duì)葉片的疲勞壽命影響巨大，在磨削過程中，由于磨具與表面接觸狀況復(fù)雜，影響表面完整性的工藝參數(shù)多且相互耦合，難以通過參數(shù)的制定而實(shí)現(xiàn)表面完整性的精確控制。研究磨削表面完整性的影響規(guī)律對(duì)于實(shí)現(xiàn)機(jī)器人砂帶磨削表面完整性精準(zhǔn)控制具有重要影響。

Fernandez等[50]通過旋轉(zhuǎn)和平移運(yùn)動(dòng)的結(jié)合而創(chuàng)建模型，從而預(yù)測(cè)拋光表面上的規(guī)劃，使粗糙度誤差小于15%。Eriksen等[51]結(jié)合傳統(tǒng)的工具制造工藝和一種新的機(jī)器人輔助拋光來形成多功能表面。Segreto等[52]將基于統(tǒng)計(jì)的傳統(tǒng)提取方法和基于小波包變換的特征提取方法應(yīng)用于拋光過程中檢測(cè)到的傳感器信號(hào)，決定拋光零件表面粗糙度水平。Jourani等[53]研究了砂帶結(jié)構(gòu)與表面質(zhì)量的關(guān)系，分析砂帶磨削拋光物理機(jī)理，并建立了零件表面材料去除過程的數(shù)學(xué)模型。Bigerelle等[54-55]提出了加工工具磨損過程中表面粗糙度的表征方法，且通過一系列粗糙度工藝參數(shù)來表征表面完整性、加工動(dòng)態(tài)及機(jī)械性能；此外，建立了拋光加工中磨損過程的分形模型及帶拋光加工過程模型。Pandiyan等[56]提出了一種由力、加速度計(jì)和聲發(fā)射傳感器組成的加工過程中多傳感器集成技術(shù)，用于預(yù)測(cè)加工過程中表面粗糙度的狀態(tài)，在MATLAB工具箱中訓(xùn)練支持向量機(jī)，并建立分類模型，如圖17所示。

葉瀟瀟[57]通過實(shí)驗(yàn)分析了砂帶粒度和粗磨壓力對(duì)鈦合金葉片砂帶磨削表面粗糙度、加工硬化、金相組織及殘余應(yīng)力的影響規(guī)律，并建立了表面粗糙度的回歸模型。Xiao等[58-59]對(duì)航發(fā)葉片邊緣當(dāng)量自適應(yīng)砂帶磨削方法進(jìn)行了研究，對(duì)砂帶磨削以后的表面粗糙度進(jìn)行了分析，結(jié)果表明在砂帶磨削以后，表面粗糙度≤0.25 μm、且表面呈現(xiàn)壓應(yīng)力狀態(tài)。Zhao等[60]對(duì)葉片柔性磨具拋光加工的葉片表面粗糙度預(yù)測(cè)以及參數(shù)優(yōu)化模型進(jìn)行了研究，通過實(shí)驗(yàn)得到的模型可以提高表面粗糙度25%。

圖17 基于SVM算法的表面粗糙度[56]Fig.17 Surface roughness based on SVM algorithm[56]

從上述的文獻(xiàn)分析可以看出，目前國(guó)內(nèi)外針對(duì)航發(fā)葉片表面完整性磨削參數(shù)的模型研究主要是通過實(shí)驗(yàn)的方法采用線性回歸分析得到數(shù)學(xué)模型，對(duì)于葉片砂帶磨削工藝參數(shù)的制定具有一定的借鑒意義。但是目前分析的磨削參數(shù)相對(duì)較少、獲得的數(shù)學(xué)模型單一，且主要集中在通過工藝參數(shù)獲得表面粗糙度的辦法，難以實(shí)現(xiàn)基于表面完整性特征目標(biāo)的計(jì)算，難以實(shí)現(xiàn)工藝參數(shù)的精準(zhǔn)決策。

3 葉片機(jī)器人砂帶磨削軌跡規(guī)劃方法

葉片機(jī)器人磨削軌跡決定了加工效率和表面質(zhì)量。由于葉片型面復(fù)雜、加工余量分布不均勻以及易變形等特征，等截面法、等參數(shù)線法、等殘留高度法以及投影法等并不能直接應(yīng)用，因此研究葉片機(jī)器人砂帶磨削軌跡生成算法顯得非常重要。

3.1 基于CAD模型的軌跡規(guī)劃

基于CAD模型的葉片軌跡規(guī)劃主要是根據(jù)葉片三維數(shù)學(xué)模型以及表面曲線特征進(jìn)行機(jī)器人軌跡規(guī)劃，減少由于曲面曲率變化過大而影響機(jī)器人砂帶磨削精度。首先獲得葉片表面的數(shù)字化 3D 點(diǎn)云數(shù)據(jù)，應(yīng)用對(duì)三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)濾波去噪、多視點(diǎn)配準(zhǔn)拼接及三角網(wǎng)格模型劃分技術(shù)得到葉片多面體模型，并保存為STL格式文件，為葉片機(jī)器人砂帶磨削成型提供了數(shù)字化的源頭數(shù)據(jù)。

Li W L等[61]提出了通過應(yīng)用方差最小化構(gòu)造目標(biāo)函數(shù)迭代計(jì)算所需的形狀匹配參數(shù)，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人磨削的形狀匹配。Li S Q等[62]通過采用非均勻有理B樣條(Non-Uniform Rational B-Splines, NURBS)曲線擬合和自適應(yīng)采樣算法實(shí)現(xiàn)機(jī)器人磨削加工軌跡規(guī)劃。Huang等[63-64]研究了利用機(jī)器人砂帶磨削方法修復(fù)航空葉片的技術(shù)，機(jī)器人的加工路徑可通過比較實(shí)測(cè)葉片廓形和期望葉片廓形的誤差來獲得，通過補(bǔ)償砂帶磨損以及控制接觸輪和工件表面之間的壓力來優(yōu)化整個(gè)修復(fù)過程，如圖18所示，其中K代表彈簧的剛度、C表示阻尼。

韓光超等[65]利用UGCAM軟件中的多軸加工功能模塊獲得型腔的表面信息，然后采用輔助區(qū)域驅(qū)動(dòng)法在復(fù)雜型腔表面映射生成連續(xù)的多軸數(shù)控加工軌跡。趙揚(yáng)等[66]基于葉片逆向CAD模型采用等距軌跡法進(jìn)行機(jī)器人磨削加工的路徑規(guī)劃，生成機(jī)器人加工軌跡。宋江波[67]基于橢圓弧型葉片進(jìn)排氣邊緣CAD模型，采用截平面法和曲率差值法與根據(jù)曲率差值將路徑曲線分段的方法分別計(jì)算機(jī)器人磨削加工路徑的行距與步長(zhǎng)。

圖18 浮動(dòng)磨削及其刀具軌跡[63-64]Fig.18 Passive compliance grinding and tool path[63-64]

從上述的文獻(xiàn)分析可以看出，目前國(guó)內(nèi)外缺少在基于CAD的葉片機(jī)器人砂帶磨削軌跡規(guī)劃的研究，由于葉片具有弱剛性、結(jié)構(gòu)復(fù)雜等特征導(dǎo)致在加工過程中極易發(fā)生變形及干涉等問題，而目前的研究尚未涉及上述關(guān)鍵問題，從而難以解決基于模型的葉片機(jī)器人砂帶磨削軌跡規(guī)劃。

3.2 基于數(shù)學(xué)模型的插補(bǔ)算法

基于數(shù)學(xué)模型的插補(bǔ)算法主要是通過在線檢測(cè)葉片原始數(shù)據(jù)，得到一系列封閉的離散點(diǎn)集，并通過采用數(shù)學(xué)模型對(duì)各截面離散點(diǎn)進(jìn)行擬合，從而提高重構(gòu)的精度，保證磨削質(zhì)量。應(yīng)用B樣條曲線曲面等數(shù)學(xué)模型來描述參數(shù)曲面圖形，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行插補(bǔ)計(jì)算，從而提高刀具運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)性以及插補(bǔ)精度。

Mao等[68]提出了一種具有關(guān)節(jié)速度、加速度和機(jī)器人進(jìn)給、機(jī)器人砂帶磨削加速度約束的優(yōu)化模型，并且將反饋調(diào)度問題轉(zhuǎn)化為線性規(guī)劃問題。Zhang等[69]提出了一種基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的回歸方法，考慮了機(jī)器人砂帶磨削過程中的全局去除模型，從而更準(zhǔn)確地模擬磨削過程。Kharidege等[70]描述了一個(gè)基于CAD系統(tǒng)數(shù)據(jù)的自動(dòng)規(guī)劃和編程系統(tǒng)，利用機(jī)器人雅可比矩陣確定機(jī)器人任務(wù)空間中的奇異區(qū)域。

王偉等[71]提出了一種包含弧長(zhǎng)優(yōu)化和主曲率匹配的機(jī)器人砂帶磨削路徑生產(chǎn)，通過離線仿真驗(yàn)證了有效性，提高了曲面的磨削質(zhì)量，并且利用經(jīng)典的截面法推導(dǎo)和實(shí)現(xiàn)了一種弧長(zhǎng)優(yōu)算法，利用曲線的凸包性估算曲線弧長(zhǎng)并進(jìn)行刀位點(diǎn)的優(yōu)化。郭彤穎和曲道奎[72]研究了遺傳算法中的編碼方式、交叉算子和變異算子的改進(jìn)方法。萬從保[73]通過對(duì)等參數(shù)軌跡規(guī)劃方法中的二分法進(jìn)行改進(jìn)，提出了整體葉盤中葉片磨削加工的螺旋軌跡規(guī)劃方法。張海洋[74]采用等弦高誤差法和等殘留高度法分別作為磨削步長(zhǎng)和行距，并在生成磨削軌跡前首先對(duì)葉片模型進(jìn)行了修剪和提取，得到砂帶磨削的實(shí)際可加工區(qū)域。陳巍[75]采用點(diǎn)云匹配技術(shù)實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)計(jì)算工件坐標(biāo)系，并校正裝夾誤差和使磨削量均勻。徐文秀和史耀耀[76]介紹了整體葉盤機(jī)器人自動(dòng)化拋光技術(shù)，提出了適合于整體葉盤機(jī)器人拋光的刀軌生成算法，并對(duì)機(jī)器人控制數(shù)據(jù)的確定進(jìn)行了分析。

從上述的文獻(xiàn)分析可以看出，目前國(guó)內(nèi)外在基于數(shù)學(xué)模型的插補(bǔ)算法的研究還是主要圍繞以點(diǎn)接觸為基礎(chǔ)的計(jì)算方法，由于砂帶磨削的柔性特征，在葉片加工過程中主要還是以面接觸為主，從而難以獲得最優(yōu)的計(jì)算模型，因此為了提高葉片機(jī)器人砂帶磨削精度，需在傳統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型上結(jié)合面接觸模型，進(jìn)而提高機(jī)器人砂帶磨削軌跡規(guī)劃精度。

3.3 基于人工知識(shí)學(xué)習(xí)的軌跡優(yōu)化

基于人工知識(shí)學(xué)習(xí)的軌跡優(yōu)化主要是通過采用在線檢測(cè)的方法獲取熟練操作人員葉片打磨的軌跡規(guī)劃方法，包括磨削軌跡、磨削次數(shù)以及間距等，在此基礎(chǔ)上對(duì)該方法進(jìn)行學(xué)習(xí)，形成一套適用于機(jī)器人砂帶磨削的基于人工知識(shí)學(xué)習(xí)的軌跡規(guī)劃方法。

Ng等[77]提出了基于熟練操作者的表面精加工刀具軌跡學(xué)習(xí)的機(jī)器人磨削刀具路徑、方向和磨削參數(shù)的規(guī)劃，如圖19所示。將手動(dòng)操作人員技能的知識(shí)轉(zhuǎn)移接口與機(jī)器人程序相銜接，利用手工操作者的技能和經(jīng)驗(yàn)生成機(jī)器人程序的新方法，用于將工件研磨成所需的幾何形狀，介紹了一種計(jì)算工具與工件之間瞬時(shí)接觸點(diǎn)的算法，以確定手動(dòng)工具路徑[78]，其中F1為接觸力(N)，F(xiàn)2為等效接觸力(N)，d1為等效距離(m)，τ為轉(zhuǎn)矩(N·m)，Q1、Q2、Q3為運(yùn)動(dòng)軸，E為指E-E截面。

清華大學(xué)的宋亦旭教授等建立了基于回聲狀態(tài)網(wǎng)絡(luò)(Echo State Network, ESN)的自適應(yīng)模型，其主要思想就是利用滑窗技術(shù)從新樣本中提取訓(xùn)練樣本，這種基于機(jī)器學(xué)習(xí)泛型的模型比基于經(jīng)驗(yàn)公式或者曲線的模型具有更好的柔性。采用協(xié)同粒子群優(yōu)化算法計(jì)算出最優(yōu)的進(jìn)給速度和法向磨削力[79-80]。

圖19 接觸受力分析及虛擬軟件系統(tǒng)[78]Fig.19 Contact force analysis and visualization software [78]

從上述的文獻(xiàn)分析可以看出，目前國(guó)內(nèi)外對(duì)該方法的研究還比較局限。雖然人工操作具有效率低、精度難以保證等問題，但是熟練工人的操作經(jīng)驗(yàn)卻是提高加工精度的有效技術(shù)手段，因此繼續(xù)深入進(jìn)行相關(guān)方面的研究對(duì)于提高葉片精度具有重要的作用。

4 葉片機(jī)器人砂帶磨削運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)

葉片機(jī)器人砂帶磨削運(yùn)動(dòng)控制時(shí)，必須保持接觸壓力的實(shí)時(shí)可控，這涉及位置/力混合控制，由于機(jī)器人的強(qiáng)耦合、高度非線性特點(diǎn)，位置/力混合控制實(shí)現(xiàn)極其復(fù)雜。法向力的控制有兩種方式：基于機(jī)器人手臂控制和基于終端執(zhí)行器控制。通過機(jī)器人手臂進(jìn)行位置/力控制算法簡(jiǎn)單，對(duì)終點(diǎn)軌跡進(jìn)行坐標(biāo)轉(zhuǎn)換，使機(jī)器人各關(guān)節(jié)同時(shí)運(yùn)動(dòng)，即完成預(yù)定軌跡。但機(jī)器人位置精度差，同時(shí)各關(guān)節(jié)伺服反饋進(jìn)行坐標(biāo)計(jì)算會(huì)造成時(shí)間滯后，限制了其應(yīng)用。基于終端執(zhí)行器的法向力控制分為可編程式和不可編程式。不可編程式類似于壓力調(diào)節(jié)器，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，價(jià)格便宜，但調(diào)整困難，高速時(shí)容易產(chǎn)生沖擊，導(dǎo)致砂帶與工件之間的接觸不穩(wěn)定?？删幊淌侥軐?shí)現(xiàn)基于加工余量分布的磨削壓力在線調(diào)整，即根據(jù)材料去除率調(diào)整壓力大小。

4.1 終端執(zhí)行器控制技術(shù)

機(jī)器人砂帶磨削終端執(zhí)行器在葉片加工系統(tǒng)中占有非常重要的地位。終端執(zhí)行器不僅能有效地提高整體結(jié)構(gòu)剛度，而且還可以自動(dòng)補(bǔ)償位置誤差與適應(yīng)各種形狀的幾何表面。機(jī)器人葉片砂帶磨削系統(tǒng)中的位置/力控制基本都來自于終端執(zhí)行器的監(jiān)測(cè)和判斷。

Zhu等[81]從切削力的角度出發(fā)，對(duì)機(jī)器人砂帶磨削機(jī)理進(jìn)行了分析和評(píng)價(jià)。Tian等[82]根據(jù)普雷斯頓市方程和赫茲理論，建立了去除率與拋光壓力的關(guān)系模型，實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)器人拋光壓力的穩(wěn)定控制。Tian等[83]建立了機(jī)器人、傳感器、拋光工具與拋光件受力之間的關(guān)系，并在此基礎(chǔ)上研究了路徑間距和刀具位置規(guī)劃算法。Rafieian等[84]研究了機(jī)器人磨削時(shí)材料去除的動(dòng)態(tài)特性，指出通過同步獲得瞬時(shí)轉(zhuǎn)動(dòng)頻率來實(shí)現(xiàn)材料去除過程的實(shí)時(shí)調(diào)整。Sun等[85]在機(jī)器人砂帶磨削的基礎(chǔ)上，采用力控技術(shù)來保證葉片的磨削精度。Mohammad等[86]通過集成力傳感器，測(cè)量拋光力并反饋給控制器進(jìn)行機(jī)器人拋光。Zhao和Shi[87]等提出了一種基于模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的Bang-Bang控制和模型參考自適應(yīng)控制雙重模式切換自適應(yīng)控制策略，開展了如圖20的機(jī)器人砂帶打磨航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片實(shí)驗(yàn)研究。

圖20 葉片自適應(yīng)控制雙重模式系統(tǒng)[87]Fig.20 Adaptive control with double-mode for blade[87]

倪小波等[88]對(duì)粗糙表面的磨削力進(jìn)行了研究，分析了MOTOMAN磨削機(jī)器人系統(tǒng)的磨削力及振動(dòng)響應(yīng)，提出表面越粗糙，切向磨削力越大。韓光超和孫明[89]對(duì)軟質(zhì)拋光工具的彈性變形和拋光過程磨損進(jìn)行有效補(bǔ)償，從而獲得穩(wěn)定的拋光壓力和均勻的拋光過程。劉志恒[90]研究了力/位置控制算法，設(shè)計(jì)了相應(yīng)的打磨控制方案，搭建了機(jī)器人打磨控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了接觸力恒定的打磨加工。李振國(guó)[91]通過力傳感器在線檢測(cè)拋磨力，控制機(jī)器人的位姿，調(diào)整工件與砂帶間的接觸，實(shí)現(xiàn)主動(dòng)柔順性。李闖[92]設(shè)計(jì)了適用于工業(yè)機(jī)器人磨削拋光作業(yè)的末端力反饋裝置，并建立了機(jī)、電、氣混合控制模型。楊龍[93]建立了砂帶磨拋力模型，并采用機(jī)器人主動(dòng)力反饋方式保持磨拋過程中法向壓力的恒定，研究了磨拋力對(duì)磨拋結(jié)果的影響規(guī)律。劉文波[94]對(duì)力傳感器獲取的力/力矩信號(hào)進(jìn)行了分析與處理，消除了工具重力/力矩對(duì)測(cè)量力/力矩值的影響，引入了模糊控制的方法調(diào)整優(yōu)化控制參數(shù)。鄧暘[95]探討了關(guān)于接觸控制的相關(guān)問題，同時(shí)對(duì)不同控制策略實(shí)現(xiàn)柔性接觸控制的途徑和效果進(jìn)行了分析。蔡得領(lǐng)[96]應(yīng)用Programmable Logic Controller(PLC)、變頻驅(qū)動(dòng)、Human Machine Interface (HMI)、氣動(dòng)控制等技術(shù)設(shè)計(jì)了機(jī)器人砂帶磨拋控制系統(tǒng)。王淼[97]完成了拋光打磨機(jī)器人控制系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)，并采用模糊PID控制算法在MATLAB/Simulink環(huán)境下進(jìn)行仿真。

從上述的文獻(xiàn)分析可以看出，目前在磨削力的研究方面主要是通過理論分析研究或通過力傳感器進(jìn)行測(cè)量，只能顯示在磨削加工過程中磨削力的大小，不能對(duì)磨削力進(jìn)行精確控制。但在實(shí)際磨削過程中，磨削力會(huì)受到外界因素(機(jī)器人加工過程的振動(dòng)、砂帶的轉(zhuǎn)動(dòng)等)而不斷波動(dòng)，在復(fù)雜曲面機(jī)器人砂帶磨削過程中，基于加工余量的力精確控制技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)材料的精密去除，這樣不僅可以提高工件的加工精度而且能夠保證加工的一致性，因此實(shí)現(xiàn)基于加工余量的力閉環(huán)控制技術(shù)對(duì)復(fù)雜曲面機(jī)器人砂帶磨削的意義重大。

4.2 機(jī)器人砂帶磨削編程技術(shù)及控制系統(tǒng)

機(jī)器人編程主要有示教(Teaching and Playing)和離線編程(Off-line Programming)兩種方式。隨著機(jī)器人的動(dòng)作越來越復(fù)雜，機(jī)器人離線編程技術(shù)得到越來越廣泛的應(yīng)用。

Xu等[98]為了提高標(biāo)定精度，提出了預(yù)校準(zhǔn)的三維激光掃描儀和使用標(biāo)準(zhǔn)球?yàn)闃?biāo)定對(duì)象的機(jī)器人末端執(zhí)行器的關(guān)系標(biāo)定方法。Li等[99]通過視覺檢測(cè)技術(shù)對(duì)磨削過程機(jī)器人各關(guān)節(jié)參數(shù)的誤差和姿態(tài)參數(shù)誤差進(jìn)行標(biāo)定。Xiao等[100-101]通過采用機(jī)器人拋光方法實(shí)現(xiàn)了葉片全型面的拋光加工，磨削以后表面粗糙度小于0.25 μm。Wang等[102]對(duì)機(jī)器人砂帶磨削的離線編程設(shè)計(jì)及其優(yōu)化進(jìn)行了研究，同時(shí)開發(fā)了一種面向?qū)ο蟮臋C(jī)器人離線編程系統(tǒng)，提出了一種動(dòng)態(tài)刀架的優(yōu)化算法，獲得機(jī)器人的最大靈巧度指數(shù)。Zhang等[103]提出了一種新型的PPPRRR磨削機(jī)器人，建立了機(jī)器人磨削路徑的數(shù)學(xué)模型，分析了工件端面位置和接觸輪對(duì)機(jī)器人基架的位置的影響因素，在蒙特卡羅方法的基礎(chǔ)上，對(duì)上述姿態(tài)和位置因子進(jìn)行了優(yōu)化，提高了系統(tǒng)的磨削能力。Liang等[104]提出了一種基于支持向量機(jī)和粒子群優(yōu)化算法的機(jī)器人砂帶磨削新方法，使控制參數(shù)的軌跡平滑穩(wěn)定。Song等[105]提出了一種基于統(tǒng)計(jì)機(jī)器學(xué)習(xí)的自適應(yīng)建模方法，利用歷史磨削數(shù)據(jù)作為訓(xùn)練樣本，建立基于支持向量回歸的初始模型，并且用實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)訓(xùn)練后的模型進(jìn)行了修正，并能準(zhǔn)確預(yù)測(cè)出材料的去除，如圖21所示。

趙慶江[106]將距離誤差標(biāo)定模型與位置誤差標(biāo)定模型的標(biāo)定效果進(jìn)行對(duì)比，指出了距離誤差標(biāo)定模型的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)，同時(shí)應(yīng)用ROBOTMAS TER軟件對(duì)航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片進(jìn)行離線編程與拋磨路徑規(guī)劃。齊立哲等[107]推導(dǎo)了機(jī)器人砂帶磨削系統(tǒng)作業(yè)精度模型，并據(jù)此設(shè)計(jì)了誤差測(cè)量及補(bǔ)償方法，完成了機(jī)器人砂帶磨削系統(tǒng)作業(yè)誤差測(cè)量工具及校準(zhǔn)系統(tǒng)的研制。王偉等[108]提出了一種基于實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)把偏轉(zhuǎn)角補(bǔ)償?shù)侥ハ髀窂降墓ぞ咦鴺?biāo)系上的工具坐標(biāo)系標(biāo)定方法，從而使接觸輪姿態(tài)標(biāo)定精度達(dá)到0.05度。趙揚(yáng)[109]建立了基于逆向工程的機(jī)器人砂帶磨削系統(tǒng)，該系統(tǒng)按系統(tǒng)功能可劃分為兩套獨(dú)立工作的子系統(tǒng)，分別為機(jī)器人逆向工程測(cè)量子系統(tǒng)和機(jī)器人砂帶磨削加工子系統(tǒng)。李勇華[110]開展了磨拋軟件系統(tǒng)的需求分析與模塊化設(shè)計(jì)，采用面向?qū)ο蟮木幊趟枷?，完成了基于C#的機(jī)器人磨拋軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)與開發(fā)。吳青海[111]建立了葉片砂帶磨削系統(tǒng)，開展葉片砂帶磨削技術(shù)的研究，分析砂帶線速度、砂帶粒度和磨削溫度等因素對(duì)葉片磨削的影響。

圖21 機(jī)器人砂帶磨削系統(tǒng)[105]Fig.21 Robot belt grinding system[105]

從上述的文獻(xiàn)分析可以看出，盡管上述的提高標(biāo)定誤差方法及對(duì)誤差的補(bǔ)償、優(yōu)化方法已被廣泛應(yīng)用在機(jī)器人砂帶磨削應(yīng)用中，然而，這些方法難以從根本上解決機(jī)器人砂帶磨削系統(tǒng)工件坐標(biāo)系相對(duì)于工具坐標(biāo)系的具體位姿精度問題，導(dǎo)致多磨頭庫(kù)、多工件庫(kù)和多工序集于一體的以砂帶為代表的多樣化柔性磨具機(jī)器人磨削系統(tǒng)的應(yīng)用尚不成熟，同時(shí)，上述文獻(xiàn)不易進(jìn)行機(jī)器人與砂帶磨床之間的通訊，在機(jī)器人離線編程程序中不能控制砂帶磨床的運(yùn)轉(zhuǎn)，導(dǎo)致工人工作量增大，降低加工效率。

4.3 機(jī)器人砂帶磨削靈活空間分析

機(jī)器人的靈巧特性及可達(dá)工作空間特性是表征機(jī)器人運(yùn)動(dòng)特征屬性的重要基本特性。機(jī)器人的靈巧特性決定性地反映了在所處工作環(huán)境中機(jī)器人的作業(yè)任務(wù)可執(zhí)行能力。因此，對(duì)于新設(shè)計(jì)的機(jī)器人結(jié)構(gòu)，開展靈巧性分析，研究機(jī)器人的靈巧特性，可為深入衡量機(jī)器人的靈巧作業(yè)性能、分析靈巧作業(yè)性能的結(jié)構(gòu)參數(shù)影響因素及開展結(jié)構(gòu)參數(shù)尺寸優(yōu)化提供理論分析依據(jù)。

Vahrenkamp和Asfour提出了一種包含限制條件的拓展Yoshikawa可操作性橢球評(píng)價(jià)方法，用于描述末端執(zhí)行器在工作空間中的靈活性，在機(jī)器人仿真工具箱SIMOX中開展了開源實(shí)驗(yàn)[112]。Roberts在Yoshikawa所提出方法[113]基礎(chǔ)上，提出了評(píng)價(jià)冗余機(jī)器人在被動(dòng)關(guān)節(jié)被鎖定或自由擺動(dòng)模式而成為欠驅(qū)動(dòng)機(jī)器人情況下的靈巧性評(píng)價(jià)指標(biāo)。Gosselin構(gòu)造了具有相同量綱并且條件數(shù)具有不變性的雅可比矩陣，通過評(píng)價(jià)雅可比矩陣條件數(shù)，提出了一種全局條件指標(biāo)，評(píng)價(jià)了條件數(shù)在整個(gè)工作空間的全局性能[114-115]。Park和Brockeet通過機(jī)器人正向運(yùn)動(dòng)學(xué)在黎曼流形(Riemannian Manifolds)之間定義映射，基于雅可比矩陣提出了一種積分泛函映射理論用于優(yōu)化機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)靈巧特性并將其作為機(jī)器人設(shè)計(jì)的分析工具[116]。Tchon和Zadamowska依據(jù)分析雅可比矩陣和偽雅可比矩陣的概念，通過內(nèi)生構(gòu)型空間方法，提出了一種采用運(yùn)動(dòng)靈巧性橢球表征的局部靈巧性方法和全局靈巧性方法，前者用于確定移動(dòng)機(jī)器人的最優(yōu)構(gòu)型，后者在移動(dòng)機(jī)器人設(shè)計(jì)過程中用做幾何結(jié)構(gòu)的優(yōu)化工具[117]。Gao等[118]提出了一種通過優(yōu)化磨削機(jī)器人的結(jié)構(gòu)尺寸以及機(jī)器人相對(duì)于磨削輪的位置關(guān)系以獲得足夠靈活磨削空間的策略。Zhang等[119]通過活動(dòng)工件架以及被動(dòng)工具架來增加機(jī)器人砂帶磨削的靈活空間。

張棟等[120]指出機(jī)器人的第二關(guān)節(jié)方向的相對(duì)位置是影響靈活磨削空間最顯著的因素，使機(jī)器人的靈活磨削空間擴(kuò)大了1倍。王偉和贠超[121]針對(duì)PPPRRR構(gòu)型機(jī)器人，采用模式搜索法，優(yōu)化了磨削機(jī)接觸輪相對(duì)于機(jī)器人基坐標(biāo)系的位移偏移量，獲得了最大的靈活磨削空間體積。馬良[122]利用CATIA軟件建立系統(tǒng)數(shù)字樣機(jī)模型，對(duì)各部件進(jìn)行虛擬裝配、空間干涉分析及人機(jī)工程分析。

從上述的文獻(xiàn)分析可以看出，盡管上述的靈巧性分析評(píng)價(jià)方法已被廣泛應(yīng)用于定量地評(píng)價(jià)機(jī)器人的靈巧特性，然而，這些方法缺乏機(jī)器人結(jié)構(gòu)與靈巧特性的幾何拓?fù)潢P(guān)系的直觀性展示，在需要直觀明顯地表征兩者對(duì)應(yīng)關(guān)系時(shí)，這也成為了上述分析評(píng)價(jià)方法在描述靈巧特性時(shí)存在的缺陷。同時(shí)，上述分析評(píng)價(jià)方法也不容易直接得出更具確切性的葉片機(jī)器人砂帶磨削靈活空間分析的指導(dǎo)原則和理論分析依據(jù)。

5 結(jié)論及展望

將機(jī)器人技術(shù)應(yīng)用到砂帶磨削系統(tǒng)，可利用其柔性好、易擴(kuò)展的特點(diǎn)。而且，隨著機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展，機(jī)器人自身的重復(fù)定位精度能夠保證較高的加工精度和一致性，結(jié)合先進(jìn)的測(cè)量技術(shù)，機(jī)器人柔性磨削系統(tǒng)可以成為一種葉片精密磨削的有效手段，能提高柔性高精度加工能力和促進(jìn)國(guó)家制造業(yè)裝備產(chǎn)業(yè)升級(jí)。

1) 面向高性能表面的機(jī)器人砂帶磨削工藝及軌跡規(guī)劃研究。建立面向結(jié)構(gòu)特征的磨具匹配方法的機(jī)器人磨削工藝體系，分析機(jī)器人磨削表面完整性的形成機(jī)理，提出面向高性能表面完整性的機(jī)器人磨削動(dòng)態(tài)特性優(yōu)化方法和基于葉片CAD模型的軌跡規(guī)劃技術(shù)。

2) 基于知識(shí)學(xué)習(xí)的葉片機(jī)器人砂帶磨削智能系統(tǒng)及平臺(tái)。知識(shí)學(xué)習(xí)是人工智能研究中的重要組成部分，包含了大數(shù)據(jù)、工人經(jīng)驗(yàn)等知識(shí)，通過采用深度學(xué)習(xí)建立決策的規(guī)則及模型，進(jìn)行包含檢測(cè)、磨具庫(kù)、工件庫(kù)于一體的機(jī)器人智能砂帶磨削系統(tǒng)的研制，提高葉片加工精度及效率。

3) 建立集工藝數(shù)據(jù)庫(kù)-工藝參數(shù)決策-模擬應(yīng)用環(huán)境下的服役性能仿真于一體的葉片機(jī)器人砂帶磨削分析系統(tǒng)。磨削加工是一個(gè)多工序的加工，最終的磨削效果受工件材質(zhì)、形狀、磨削工序、工具選擇、速度、接觸力、磨削軌跡、磨削時(shí)間等眾多因素的影響，建立工藝數(shù)據(jù)庫(kù)是實(shí)現(xiàn)精密磨削的基礎(chǔ)。采用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)及深度學(xué)習(xí)方法實(shí)現(xiàn)復(fù)雜磨削環(huán)境條件下的工藝參數(shù)決策；同時(shí)結(jié)合有限元仿真、FLUENT分析等方法實(shí)現(xiàn)基于磨削表面質(zhì)量的葉片服役性能研究，為面向高服役性表面磨削工藝參數(shù)的制定提供指導(dǎo)。

4) 機(jī)器人砂帶磨削在葉片加工中的擴(kuò)展應(yīng)用研究。隨著航空發(fā)動(dòng)機(jī)的發(fā)展對(duì)葉片的設(shè)計(jì)提出了更多的要求，新材料、新型設(shè)計(jì)方法以及新型制備技術(shù)被廣泛應(yīng)用于葉片的設(shè)計(jì)及制造中，包括單晶葉片、復(fù)合材料葉片、3D打印葉片、激光熔覆再制造葉片等。研究靈活性更高、通用性更強(qiáng)的機(jī)器人智能砂帶磨削系統(tǒng)及裝備是實(shí)現(xiàn)新型葉片精密加工的關(guān)鍵，從而進(jìn)一步推廣機(jī)器人砂帶磨削技術(shù)在葉片加工中的應(yīng)用。