發(fā)動機(jī)葉片機(jī)器人精密砂帶磨削精度檢測技術(shù)

李娜娜，萬 中

(1.西安交通大學(xué) 城市學(xué)院，西安 710018；2.西安昆侖工業(yè)集團(tuán)有限公司，西安 710000)

0 引言

在工業(yè)與科技快速發(fā)展的背景下，發(fā)動機(jī)葉片的曲面構(gòu)造越來越復(fù)雜，對于其曲面精度的要求越來越高，為進(jìn)一步達(dá)到工業(yè)要求及使用標(biāo)準(zhǔn)，在發(fā)動機(jī)葉片機(jī)器人制作過程中注重對其精密砂帶磨削精度的提高，然而如何設(shè)計出效率較高、精準(zhǔn)度較高、柔韌性較高的磨削系統(tǒng)成為砂帶磨削行業(yè)急需解決的問題，需進(jìn)一步對其精度進(jìn)行檢測，以便減少系統(tǒng)硬件影響，提升砂帶磨削的磨削性能[1]。

近幾年以來，機(jī)器人精密砂帶磨削技術(shù)逐漸受到工業(yè)加工行業(yè)的重視，由于人工磨削的效率較為低下，制作出來的產(chǎn)品質(zhì)量較差，耗費的時間較長，同時需要投入大量物資，對于資源的浪費較為嚴(yán)重，且所處工作環(huán)境惡劣。而數(shù)控磨削機(jī)由于自身體積問題，使用不便，擴(kuò)展性較低，且資源消耗同樣較多，與此相比之下，機(jī)器人精密砂帶磨削技術(shù)具備較高的自身控制能力，能夠較好地完成產(chǎn)品的磨削與加工，提升產(chǎn)品的制作效率，攜帶方便，使用靈活，具備較高的擴(kuò)展性以及柔韌性，設(shè)備完工率較高，系統(tǒng)制造所需成本相對較低，系統(tǒng)構(gòu)造的復(fù)雜程度也隨之降低[2]。

一臺發(fā)動機(jī)中的葉片所占比重較大，在成型后其表層曲面精度較高，但對于其邊緣部位等磨削構(gòu)造的精度控制較差，為此，工業(yè)各部門不斷加強對發(fā)動機(jī)葉片機(jī)器人精密砂帶磨削精度進(jìn)行研究。但傳統(tǒng)精度檢測技術(shù)對于砂帶磨削精度數(shù)據(jù)的掌握較差，無法準(zhǔn)確利用精度數(shù)據(jù)進(jìn)行研究，導(dǎo)致最終的精度檢測效率較低，檢測準(zhǔn)確率難以提升，基于上述問題，本文研究一種新式發(fā)動機(jī)葉片機(jī)器人精密砂帶磨削精度檢測技術(shù)，在研究其精度數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上對以上問題進(jìn)行分析與解決[3]。

本文通過對發(fā)動機(jī)葉片機(jī)器人精密砂帶磨削精度數(shù)據(jù)進(jìn)行查找與算法加工，檢測坐標(biāo)軸及矩陣數(shù)據(jù)問題，強化系統(tǒng)自動處理功能，進(jìn)一步推動精度檢測的研究操作，以實現(xiàn)對其的精度檢測技術(shù)研究。

該檢測技術(shù)在一定程度上縮減了檢測所需時間，提升檢測效率，同時降低干擾因素的影響，使用較為靈活，便于操作，具備更佳的發(fā)展空間。

1 發(fā)動機(jī)葉片機(jī)器人精密砂帶磨削精度數(shù)據(jù)采集

在進(jìn)行葉片機(jī)器人精密砂袋磨削精度檢測技術(shù)研究時，本文首先對其精度數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，將采集出的系統(tǒng)數(shù)據(jù)作為基礎(chǔ)信息來源，以便精度檢測操作的實施。

在對第一葉片進(jìn)行加工的過程中，判斷此葉片的精銑結(jié)果是否符合合格標(biāo)準(zhǔn)，并將其精度測量坐標(biāo)數(shù)據(jù)進(jìn)行獲取操作，進(jìn)一步掌控機(jī)器人根據(jù)離線編程程序組成的路線進(jìn)行產(chǎn)品加工操作，同時將此數(shù)據(jù)作為后續(xù)相同型號與格式的葉片矯正夾的數(shù)據(jù)基準(zhǔn)[4]。其發(fā)動機(jī)示意圖如圖1。

為進(jìn)一步獲取坐標(biāo)系數(shù)據(jù)，首先對葉片零部件的點云信息進(jìn)行采集，即對機(jī)器人的工作主坐標(biāo)系進(jìn)行初步處理，并對葉片機(jī)器人進(jìn)行三維激光掃描以便獲取準(zhǔn)確信息，同時配以打磨剖光操作，其打磨剖光圖如圖2。

圖1 發(fā)動機(jī)示意圖 圖2 打磨剖光機(jī)器人示意圖

由于首次安裝機(jī)器人尾部葉片部件時，葉片與機(jī)器人的尾部相應(yīng)位置數(shù)據(jù)難以得到確認(rèn)，為此，需先進(jìn)行手動掃描獲取坐標(biāo)系操作，在獲取相關(guān)云點數(shù)據(jù)后，將處理后的云點數(shù)據(jù)與CAD模型的離散點數(shù)據(jù)進(jìn)行相關(guān)性符合配置，由此獲得一個大概的機(jī)器人坐標(biāo)系數(shù)據(jù)，其電暈數(shù)據(jù)圖如圖3。

圖3 點云數(shù)據(jù)圖

在此基礎(chǔ)上通過對離線編程程序設(shè)置路線的研究，進(jìn)一步提取出路徑信息，并對路徑信息進(jìn)行基礎(chǔ)掃描，經(jīng)過點云匹配信息獲取坐標(biāo)系準(zhǔn)確數(shù)據(jù)，由于葉片及機(jī)器人的尾部偏轉(zhuǎn)力量以及偏移角度相對較大，若直接使用算法進(jìn)行計算將無法實現(xiàn)對數(shù)據(jù)的精準(zhǔn)計算，算法在收斂過程中所需耗費的時間較長，并且會產(chǎn)生僅得到局部最優(yōu)解的狀況[5]。為此，需對采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行初步粗計算，在獲得所需計算結(jié)果后，進(jìn)行二次精細(xì)計算，加強對數(shù)據(jù)的精度計算力度，為初始算法提供良好的位置服務(wù)，有利于最終的算法匹配操作，并將匹配過程的精度數(shù)據(jù)傳輸，如圖4。

圖4 精度數(shù)據(jù)傳輸圖

將計算后的數(shù)據(jù)分離，同時存儲至中心儲存系統(tǒng)中，在獲取精度坐標(biāo)系數(shù)據(jù)后，仍需對精度計量的目標(biāo)點具體位置進(jìn)行矯正處理，由于實驗操作模型與實際模型存在一定程度上的數(shù)據(jù)偏差，為此，將離線編程程序中的工具點坐標(biāo)系全部替換為掃描機(jī)器坐標(biāo)系，并由三坐標(biāo)測量儀對掃描數(shù)據(jù)進(jìn)行測量，判斷其是否能夠達(dá)到所需標(biāo)準(zhǔn)，若符合標(biāo)準(zhǔn)，則采集的數(shù)據(jù)能夠作為葉片機(jī)器人砂帶精度檢測數(shù)據(jù)進(jìn)行后續(xù)步驟操作，并將此數(shù)據(jù)作為批量加工的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)，在機(jī)器人運作過程中同時注重完成對其精度的裝夾的偏差矯正操作。通過以上操作，獲取所需的檢測精度數(shù)據(jù)，進(jìn)一步促進(jìn)后續(xù)研究的發(fā)展[6]。

2 發(fā)動機(jī)葉片機(jī)器人精密砂帶磨削精度數(shù)據(jù)算法加工

在完成對發(fā)動機(jī)葉片機(jī)器人精密砂帶磨削精度數(shù)據(jù)的獲取后，進(jìn)一步加強對獲取數(shù)據(jù)的系統(tǒng)化處理，完成其算法加工操作[7]。

本文將獲取數(shù)據(jù)進(jìn)行PCA算法解析，進(jìn)一步將數(shù)據(jù)集簡化，根據(jù)數(shù)據(jù)主要分布規(guī)律選擇合適的算法加工位置與范圍，在三維空間中，將點分別對應(yīng)坐標(biāo)軸中的點進(jìn)行點點匹配，由于坐標(biāo)軸具有較大的任意性，其坐標(biāo)空間同時具備相應(yīng)的相關(guān)性，為此，利用PCA算法將正線相交變換線查找出來，并將點數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化到新的數(shù)據(jù)陣中，獲取新的數(shù)據(jù)陣坐標(biāo)系中的最大方向數(shù)值，并設(shè)置此最大方向為第一主方向，坐標(biāo)系數(shù)值方差第二大的方向數(shù)值為第二主方向，與第一主方向及第二主方向相垂直的方向為第三主方向，3個方向分別與坐標(biāo)系的數(shù)軸相對應(yīng)。相同物體在各個坐標(biāo)系中的坐標(biāo)表示數(shù)值不相同，但其基本分布規(guī)律大致保持一致，各個主方向相對應(yīng)的坐標(biāo)系在三維空間中的位置是固定的[8]。其三維空間轉(zhuǎn)向角示圖如圖5。

圖5 三維空間轉(zhuǎn)向角示意圖

由此獲取主方向中心坐標(biāo)位置數(shù)值，并進(jìn)行空間平移轉(zhuǎn)換，利用PCA算法將初始坐標(biāo)系數(shù)值與轉(zhuǎn)換后的坐標(biāo)系數(shù)值計算出來，獲得所需的數(shù)據(jù)變換關(guān)系信息，進(jìn)而完成對精度數(shù)據(jù)的算法匹配加工。

各數(shù)值變量之間的關(guān)系需要依靠協(xié)方差進(jìn)行調(diào)節(jié)計算，將所選定的坐標(biāo)系中的坐標(biāo)變化以協(xié)方差的方式進(jìn)行度量操作，方差作為協(xié)方差的個別存在方式，對其進(jìn)行具體研究，并輔助數(shù)學(xué)分析基礎(chǔ)理論，進(jìn)一步加強精度檢測系統(tǒng)的自主計算性能，設(shè)計其轉(zhuǎn)換圖如圖6。

圖6 精度計算轉(zhuǎn)換圖

設(shè)置k個三維空間數(shù)據(jù)點Q，并將坐標(biāo)系中的坐標(biāo)數(shù)值提取出來，其主要的方差運算公式如下所示：

(1)

并具體計算坐標(biāo)系數(shù)據(jù)均值，由于方差能夠反應(yīng)數(shù)據(jù)均值擾動狀況，將方差與均值進(jìn)行對比操作，同時加強擾動計算，利用多維數(shù)據(jù)間的相關(guān)性原則將數(shù)據(jù)進(jìn)行關(guān)系聯(lián)接，并加大對二維數(shù)據(jù)的處理，提升系統(tǒng)自動處理功能，在獲取的數(shù)據(jù)維數(shù)比2大時，用協(xié)方差對此數(shù)據(jù)進(jìn)行表示，同時對應(yīng)坐標(biāo)系數(shù)值獲取相應(yīng)的協(xié)方差矩陣：

(2)

以此獲取最終的對稱矩陣，以實現(xiàn)對精度檢測數(shù)據(jù)的算法加工研究。并進(jìn)一步通過對矩陣的對角化操作實現(xiàn)對對角線元素的處理，提升新坐標(biāo)系的坐標(biāo)軸轉(zhuǎn)化力度，構(gòu)建云點矩陣，強化對系統(tǒng)離散點的控制，完成對發(fā)動機(jī)葉片機(jī)器人精密砂帶精度數(shù)據(jù)的精準(zhǔn)匹配，促進(jìn)精度數(shù)據(jù)的算法加工[9]。

3 發(fā)動機(jī)葉片機(jī)器人精密砂帶磨削精度檢測

在經(jīng)過以上步驟的數(shù)據(jù)處理后，實現(xiàn)對發(fā)動機(jī)葉片機(jī)器人精密砂帶磨削精度的檢測。由于葉片機(jī)器人砂帶在磨削過程中受其表面部件質(zhì)量以及表面形狀精度因素耦合影響較大，對于磨具材料、磨削角度以及磨削時間等參數(shù)的細(xì)節(jié)要求較高，而以上工藝參數(shù)與精度檢測的關(guān)系較為密切，為此，本文通過對磨削接觸面的輪廓以及磨削表面完整性進(jìn)行分析，以實現(xiàn)對發(fā)動機(jī)葉片機(jī)器人精密砂帶磨削精度的檢測，其磨削面圖示如圖7。

圖7 磨削面圖

葉片機(jī)器人砂帶在磨削中其接觸輪與砂帶存在較好的柔韌性，磨削工具與葉片的接觸表面在基礎(chǔ)法線中的方向具有較大的形變特性，使接觸表面的表層壓力分布不均衡，導(dǎo)致系統(tǒng)無法獲取較為準(zhǔn)確的表層壓力與磨具材料的關(guān)聯(lián)模型，為此，進(jìn)一步建立葉片機(jī)器人精密砂帶與發(fā)動機(jī)葉片的接觸層模型，進(jìn)一步增強精度檢測系統(tǒng)性能，其發(fā)動機(jī)渦輪葉片模型圖如圖8。

圖8 發(fā)動機(jī)渦輪葉片模型圖

根據(jù)平衡力方程與最小能量法構(gòu)建一個有限元基礎(chǔ)模型，該模型將接觸輪與葉片部件之間的接觸當(dāng)作S接觸問題，同時對砂帶精度在柔性摩擦接觸狀態(tài)下的數(shù)據(jù)進(jìn)行檢測，初步獲取砂帶定值磨削接觸模型，此模型對于磨具材料的去除具有一定的可行性。接下來利用輸入磨削有限元基礎(chǔ)模型進(jìn)行接觸面局部表層壓力輸出操作，由于模型處理過程非簡單的物理處理過程，在檢測過程中需進(jìn)一步加強檢測計算，在有效數(shù)據(jù)中加強數(shù)據(jù)訓(xùn)練，對所需參數(shù)進(jìn)行再次優(yōu)化，獲取優(yōu)化結(jié)果，最終獲得支持向量指數(shù)，縮減磨削狀態(tài)時間，檢測系統(tǒng)最終檢測數(shù)據(jù)近似誤差少于百分之五則為標(biāo)準(zhǔn)檢測結(jié)果，完成以上操作后系統(tǒng)將自動轉(zhuǎn)向?qū)δハ鞅砻嫱暾缘臋z測[10]。

磨削表面完整性對于葉片的使用時長影響較大，在磨削檢測過程中，要注意對磨具材料與磨削表面接觸狀況的監(jiān)控，防止其他因素侵入對檢測結(jié)果造成影響。根據(jù)磨削表面完整性工藝與工藝參數(shù)之間的關(guān)系對磨削精度加強掌控操作，同時將掌控規(guī)律記錄下來，結(jié)合輔助拋光處理技術(shù)，構(gòu)建磨削表面完整性精度檢測模型，其模型圖如圖9。

圖9 磨削表面完整性精度檢測模型圖

按照相關(guān)檢測標(biāo)準(zhǔn)實施檢測實驗，若最終檢測結(jié)果誤差小于百分之十五，則代表檢測技術(shù)的檢測系統(tǒng)性能良好。經(jīng)過以上操作，最終完成對發(fā)動機(jī)葉片機(jī)器人精密砂帶磨削精度的檢測研究。

4 實驗研究

4.1 實驗?zāi)康?/h3>

為了檢測本文發(fā)動機(jī)葉片機(jī)器人精密砂帶磨削精度檢測技術(shù)的檢測效果，與傳統(tǒng)檢測技術(shù)進(jìn)行對比，并分析實驗結(jié)果。

4.2 實驗環(huán)境和實驗參數(shù)

針對發(fā)動機(jī)葉片的結(jié)構(gòu)復(fù)雜性以及機(jī)器人精密砂帶磨削精度檢測操作的特殊性，需對其進(jìn)行系統(tǒng)分析。使用的發(fā)動機(jī)葉片機(jī)器人精密砂帶磨削精度檢測儀如圖10所示。

圖10 發(fā)動機(jī)葉片機(jī)器人精密砂帶磨削精度檢測儀

輸出系統(tǒng)實驗環(huán)境如圖11所示。

圖11 輸出系統(tǒng)實驗環(huán)境

根據(jù)上述實驗?zāi)Ｐ偷慕ⅲM(jìn)行實驗參數(shù)的設(shè)定，如表1所示。

表1 實驗參數(shù)表

4.3 實驗結(jié)果與分析

根據(jù)上述構(gòu)建的模型進(jìn)行對比實驗，將本文發(fā)動機(jī)葉片機(jī)器人精密砂帶磨削精度檢測技術(shù)的檢測效果與傳統(tǒng)發(fā)動機(jī)葉片機(jī)器人精密砂帶磨削精度檢測技術(shù)的檢測效果進(jìn)行比較，得到的檢測準(zhǔn)確率對比圖及精度檢測效率對比圖如圖12所示。

圖12 檢測精度對比結(jié)果圖

分析圖12可知，本文研究的檢測方法檢測精度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)方法，造成此種差異的主要原因在于本文對精度數(shù)據(jù)進(jìn)行算法加工處理，利用三維空間對收集的數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合分析，采用PCA算法提升系統(tǒng)算法強度，以此獲取坐標(biāo)軸主方向數(shù)值信息，根據(jù)初始坐標(biāo)系與轉(zhuǎn)換后坐標(biāo)系之間的關(guān)系對精度數(shù)據(jù)進(jìn)行研究，進(jìn)一步提升系統(tǒng)的研究處理性能，降低無關(guān)因素影響率，縮減精度檢測所需時間，同時提高系統(tǒng)在精度檢測時的效率，并完善了檢測算法系統(tǒng)，促使檢測系統(tǒng)能夠可持續(xù)發(fā)展。

在此后的檢測中，隨著檢測時間的增加，本文檢測技術(shù)的精度檢測效率不斷提升，且一直位于傳統(tǒng)檢測技術(shù)之上。除以上原因外，本文檢測技術(shù)對機(jī)器人在磨削過程中的砂帶與接觸輪的接觸面進(jìn)行細(xì)致研究，獲得相關(guān)的摩擦接觸信息，進(jìn)一步減少摩擦在精度檢測中的影響，進(jìn)而提升系統(tǒng)的檢測效率，為后續(xù)檢測操作提供操作基礎(chǔ)。而傳統(tǒng)檢測技術(shù)不具備此項功能，對于精度檢測的數(shù)據(jù)研究不夠細(xì)致，無法達(dá)到高質(zhì)量的檢測效果，最終的精度檢測效率較低。

本文檢測技術(shù)能夠在較高的程度上提升檢測系統(tǒng)的檢測性能，降低不必要因素影響率，具備更加完善的檢測流程，能夠提供更好的檢測服務(wù)。

對比圖13可知，本文檢測技術(shù)的檢測誤差低于傳統(tǒng)檢測技術(shù)的檢測誤差。本文對發(fā)動機(jī)葉片機(jī)器人精密砂帶磨削精度數(shù)據(jù)進(jìn)行查找，將最終查找數(shù)據(jù)作為精度檢測數(shù)據(jù)基準(zhǔn)，加強對系統(tǒng)的自主保護(hù)，同時降低不必要因素的干擾程度，利用坐標(biāo)數(shù)據(jù)對機(jī)器人磨削精度進(jìn)行掌控，加強對檢測系統(tǒng)的總體數(shù)據(jù)查詢，通過提升離線編程程序的路徑設(shè)置功能來增強檢測系統(tǒng)的數(shù)據(jù)查找能力，利用三維激光進(jìn)行掃描操作，能夠更好地實現(xiàn)對查找數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確定位，進(jìn)一步完善系統(tǒng)檢測查找機(jī)制，強化系統(tǒng)管理，不斷推動系統(tǒng)的初始處理性能向更好的方向發(fā)展，達(dá)到較高的檢測準(zhǔn)確率標(biāo)準(zhǔn)。

圖13 檢測誤差對比圖

相較于傳統(tǒng)檢測技術(shù)，本文檢測技術(shù)能夠在短時間內(nèi)提升系統(tǒng)的檢測性能，同時增強檢測系統(tǒng)的自主防護(hù)能力，降低風(fēng)險因素的存在率，提升檢測的精度，并更好的為使用者服務(wù)，具有更高的使用價值。

5 結(jié)束語

本文在傳統(tǒng)檢測技術(shù)的基礎(chǔ)上研究了一種新式發(fā)動機(jī)葉片機(jī)器人精密砂帶磨削精度檢測技術(shù)，該技術(shù)的檢測效果優(yōu)于傳統(tǒng)技術(shù)的檢測效果。

本文檢測技術(shù)首先對發(fā)動機(jī)葉片機(jī)器人精密砂帶磨削精度進(jìn)行數(shù)據(jù)收集，查找相關(guān)的有效精度檢測數(shù)據(jù)，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)在葉片加工過程中加強查找處理，減少數(shù)據(jù)在后續(xù)處理中可能產(chǎn)生的不必要操作麻煩數(shù)量，進(jìn)一步對發(fā)動機(jī)葉片機(jī)器人精密砂帶磨削精度數(shù)據(jù)進(jìn)行算法加工操作，利用三維數(shù)據(jù)空間及矩陣建立的方法提升加工基礎(chǔ)，根據(jù)坐標(biāo)系主方向位置向量加強算法計算，獲取所需的計算后數(shù)據(jù)，在以上基礎(chǔ)上，對精度進(jìn)行檢測操作，集中處理磨削過程中的接觸問題，同時通過構(gòu)建接觸層模型實現(xiàn)對發(fā)動機(jī)葉片機(jī)器人精密砂帶磨削精度的檢測。