CN107378728B - 空间不规则弯管弯曲处内表面抛光的最佳加工工艺方法 - Google Patents

空间不规则弯管弯曲处内表面抛光的最佳加工工艺方法 Download PDF

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Abstract

本发明属于磁性研磨技术领域，尤其是涉及一种空间不规则弯管弯曲处内表面抛光的最佳加工工艺方法，其特征在于，按如下步骤进行：步骤一：通过对同等材质规格的直管进行加工，找到该材质的直管加工工艺最佳参数；步骤二：运用中心线重构方法生成空间弯管内表面抛光轨迹；步骤三：提取出机械臂在加工弯管时中心线上理想离散点；步骤四：确定p点处的曲率半径ρ；步骤五：获取弯管过p点时轴向往返运动的正向进给速度V以及反向进给速度V′；步骤六：获得最终的机械抛光轨迹；步骤七：获得最终的机械抛光不同曲率情况下的最佳加工速度。本发明有效的将不同曲率半径下的加工参数进行确定，达到了理想的加工效果。

Description

空间不规则弯管弯曲处内表面抛光的最佳加工工艺方法
技术领域
本发明属于磁性研磨技术领域，尤其是涉及一种空间不规则弯管弯曲处内表面抛光的最佳加工工艺方法。
背景技术
在航空航天、汽车和其他机械领域，为使空间得到合理利用，对其内部进行优化设计，因此采用空间占用率较小的空间弯管进行油气的输导，来减少不必要的空间浪费，由于不同的使用工况，使得空间弯管的曲率半径变得不同，同时因为现代工艺水平等因素影响，使得弯管内表面产生裂纹和凹坑等缺陷，在弯曲处尤为严重，致使弯管内部通过流动气体或液体时产生湍流、引起振动，继而影响发动机的平稳运行，降低使用寿命。
由于空间弯管形状多变，曲率不同，使得在对弯管抛光时的加工参数难以确定，只能使用恒速加工，这使得工件在弯曲处加工效果各不相同，达不到加工的理想效果。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术中无法确定弯管弯曲处的最佳加工参数的不足，提供一种对空间不规则弯管弯曲处内表面抛光的最佳加工工艺方法，可以较为精确的得到弯管的加工参数，以达到对弯管加工的最佳效果。
本发明的目的是通过下述技术方案来实现的：
本发明的空间不规则弯管弯曲处内表面抛光的最佳加工工艺方法，其特征在于，按如下步骤进行：
步骤一：获得同规格相同材料的直管加工工艺的最佳参数，通过对同等材质规格的直管进行加工，找到该材质的直管加工工艺最佳参数；
步骤二：对抛光轨迹进行确定，利用齐次坐标变换，运用中心线重构方法生成空间弯管内表面抛光轨迹；
步骤三：通过生成的连续加工轨迹路线，提取出机械臂在加工弯管时中心线上理想离散点；
步骤四：选择中心线上任意一点p与其相邻的前后两点p-1，p1，利用此三点，确定p点处的曲率半径ρ；
步骤五：通过将弯管弯曲处不同点的曲率半径以及弯管自身的半径代入补偿公式，利用直管最佳工艺参数，获取弯管过p点时轴向往返运动的正向进给速度V以及反向进给速度V′；
步骤六：将一系列的加工路径中的坐标串联起来就可获得最终的机械抛光轨迹；
步骤七：将一系列的加工路径中的每两点间机械手往复运动的速度串联起来就可获得最终的机械抛光不同曲率情况下的最佳加工速度。
所述的步骤一具体是指：
步骤一对同一材质相同规格下的直管进行试加工，根据管件加工过程控制方式以及工艺参数设置进行考虑，将影响管内壁加工效果的主要因素进行响应面分析，以分析各因素及交互作用因素对管内表面影响趋势，选用Box-Behnken法设计响应面分析；
对实验数据进行回归分析，可得出粗糙度与各因素及其交互作用时的具体相应函数，在以磁极转速，磨粒粒径，加工间隙，轴向进给速度为条件因素进行分析时，分别以其中的两个条件为定量，其余两条件为变量的条件下进行交互作用，分析粗糙度变化趋势，最终得出最佳加工参数。
所述的步骤二具体是指：
步骤二在对空间弯管轨迹确定如下，
首先要对弯管的中心线进行确定，即通过测量弯管外表面轮廓线，生成外轮廓空间点云，通过对点云进行数据处理，删除奇异点，对点云进行拟合生成工件外部的轮廓线，然后使用外轮廓线截面相交的方法生成该工件的中心线；
进一步地，将空间弯管的中心线进行等步长点化，就可获得此时机械手臂每步运动的坐标；
从而，通过对坐标的齐次变换，将工件坐标系到工具坐标系进行转化，最终可确定机械手的位置与姿态；
进而，通过选取空间弯管的中心线上的任意一点p，则可得到工具坐标系中的坐标原点，即空间弯管中心线点化时产生的(x0，y0，z0)，则在工具坐标系中可用齐次坐标形式的一个向量P表示，即P＝[x0，y0，z0，1]T，根据方向矢量n、o、a，可以得到，空间弯管在机械手手部的位置与姿态描述矩阵为：
最终，此时点p在机械手加工路径中的位置与姿态为：(x0，y0，z0，α，β，γ)，即为六自由度机械手最终加工空间弯管时所走的位置与姿态轨迹。
所述的步骤四具体是指：
由于空间弯管的曲率半径不同，所以抛光加工时其轴向速度是在变化的，因此在加工时，当抛光路线确定后，在中心轨迹上任选相邻的p-1(x-1，y-1，z-1)，p(x0，y0，z0)，p1(x1，y1，z1)三点，由于是对复杂空间弯管轨迹进行运算，故选取的三点不在同一条直线上，所以通过三点使用公式2可以确定其圆弧的曲率半径ρ，
|p-1o|2＝(x-x-1)2+(y-y-1)2+(z-z-1)2
|po|2＝(x-x0)2+(y-y0)2+(z-z0)2
|p1o|2＝(x-x1)2+(y-y1)2+(z-z1)2
|p-1o|＝|po|＝|p1o|＝ρ (2)
式(2)中，o为过三点的球心，设为(x，y，z)，
通过解方程可以得出各点的曲率半径ρ。
所述的步骤五具体是指：
当加工直管时，磁极往复沿轴线运动，抛光装置上磁极运动速度相同，如图3所示，即正向运动时V1＝V＝V2，反向运动时V1′＝V′＝V2′，
但当抛光装置加工复杂空间弯管时，其加工姿态如图4所示，其正向运动时V1>V>V2，反向运动时V1＇<V＇<V2＇，由直管加工工艺可知当轴向进给速度为V0时加工效果最好，故在抛光弯管时需使得最大抛光速度为V0，即正向运动时V1＝V0，反向运动V2＝V0时，抛光装置在加工复杂空间弯管时的轴向进给速度分别为V、V＇效果最好，
故步骤五中往复运动中，速度补偿的相关公式(3)，(4)如下所示：
式(3)，(4)中，R为工件的半径，
通过此方式可以求出复杂的不同曲率半径的弯管加工时由p点至p1正向运动时轴向速度V,反向运动时速度V＇。
本发明的优点：
本发明提出的一种对空间不规则弯管弯曲处内表面抛光的最佳加工工艺方法，通过对直管加工的理想参数进行分析获取，通过相关关系进行转化，有效的将不同曲率半径下的加工参数进行确定，达到了理想的加工效果，解决以往弯管弯曲处加工不均的现象，节约了加工时间，提高了加工效率。
附图说明
图1为本发明的抛光装置图。
图2为本发明抛光装置坐标轨迹变换图。
图3为本发明直管加工各点速度分析图。
图4为本发明弯管加工各点速度分析图。
具体实施方式
下面结合附图进一步说明本发明的具体实施方式。
如图1、2、3和4所示，本发明的空间不规则弯管弯曲处内表面抛光的最佳加工工艺方法，其特征在于，按如下步骤进行：
步骤一：获得同规格相同材料的直管加工工艺的最佳参数，通过对同等材质规格的直管进行加工，找到该材质的直管加工工艺最佳参数；
步骤二：对抛光轨迹进行确定，利用齐次坐标变换，运用中心线重构方法生成空间弯管内表面抛光轨迹；
步骤三：通过生成的连续加工轨迹路线，提取出机械臂在加工弯管时中心线上理想离散点；
步骤四：选择中心线上任意一点ρ与其相邻的前后两点p-1，p1，利用此三点，确定p点处的曲率半径ρ；
步骤五：通过将弯管弯曲处不同点的曲率半径以及弯管自身的半径代入补偿公式，利用直管最佳工艺参数，获取弯管过p点时轴向往返运动的正向进给速度V以及反向进给速度V′；
步骤六：将一系列的加工路径中的坐标串联起来就可获得最终的机械抛光轨迹；
步骤七：将一系列的加工路径中的每两点间机械手往复运动的速度串联起来就可获得最终的机械抛光不同曲率情况下的最佳加工速度。
所述的步骤一具体是指：
步骤一对同一材质相同规格下的直管进行试加工，根据管件加工过程控制方式以及工艺参数设置进行考虑，将影响管内壁加工效果的主要因素进行响应面分析，以分析各因素及交互作用因素对管内表面影响趋势，选用Box-Behnken法设计响应面分析；
对实验数据进行回归分析，可得出粗糙度与各因素及其交互作用时的具体相应函数，在以磁极转速，磨粒粒径，加工间隙，轴向进给速度为条件因素进行分析时，分别以其中的两个条件为定量，其余两条件为变量的条件下进行交互作用，分析粗糙度变化趋势，最终得出最佳加工参数。
所述的步骤二具体是指：
步骤二在对空间弯管轨迹确定如下，
首先要对弯管的中心线进行确定，即通过测量弯管外表面轮廓线，生成外轮廓空间点云，通过对点云进行数据处理，删除奇异点，对点云进行拟合生成工件外部的轮廓线，然后使用外轮廓线截面相交的方法生成该工件的中心线；
进一步地，将空间弯管的中心线进行等步长点化，就可获得此时机械手臂每步运动的坐标；
从而，通过对坐标的齐次变换，将工件坐标系到工具坐标系进行转化，最终可确定机械手的位置与姿态；
进而，通过选取空间弯管的中心线上的任意一点p，则可得到工具坐标系中的坐标原点，即空间弯管中心线点化时产生的(x0，y0，z0)，则在工具坐标系中可用齐次坐标形式的一个向量P表示，即P＝[x0，y0，z0，1]T，根据方向矢量n、o、a，可以得到，空间弯管在机械手手部的位置与姿态描述矩阵为：
最终，此时点p在机械手加工路径中的位置与姿态为：(x0，y0，z0，d，β，γ)，即为六自由度机械手最终加工空间弯管时所走的位置与姿态轨迹。
所述的步骤四具体是指：
由于空间弯管的曲率半径不同，所以抛光加工时其轴向速度是在变化的，因此在加工时，当抛光路线确定后，在中心轨迹上任选相邻的p-1(x-1，y-1，z-1)，p(x0，y0，z0)，p1(x1，y1，z1)三点，由于是对复杂空间弯管轨迹进行运算，故选取的三点不在同一条直线上，所以通过三点使用公式2可以确定其圆弧的曲率半径ρ，
|p-1o|2＝(x-x-1)2+(y-y-1)2+(z-z-1)2
|po|2＝(x-x0)2+(y-y0)2+(z-z0)2
|p1o|2＝(x-x1)2+(y-y1)2+(z-z1)2
|p-1o|＝|po|＝|p1o|＝ρ (2)
式(2)中，o为过三点的球心，设为(x，y，z)，
通过解方程可以得出各点的曲率半径ρ。
所述的步骤五具体是指：
当加工直管时，磁极往复沿轴线运动，抛光装置上磁极运动速度相同，如图3所示，即正向运动时V1＝V＝V2，反向运动时V1′＝V′＝V2′，
但当抛光装置加工复杂空间弯管时，其加工姿态如图4所示，其正向运动时V1＞V＞V2，反向运动时V1′＜V′＜V2′，由直管加工工艺可知当轴向进给速度为V0时加工效果最好，故在抛光弯管时需使得最大抛光速度为V0，即正向运动时V1＝V0，反向运动V2＝V0时，抛光装置在加工复杂空间弯管时的轴向进给速度分别为V、V′效果最好，
故步骤五中往复运动中，速度补偿的相关公式(3)，(4)如下所示：
式(3)，(4)中，R为工件的半径，
通过此方式可以求出复杂的不同曲率半径的弯管加工时由p点至p1正向运动时轴向速度V，反向运动时速度V′。
最终坐标系转化如图1所示，通过此方式可以求出复杂的不同曲率半径的弯管加工时由p点至p1正向运动时轴向速度V，反向运动时速度V′，以及每一步所走的轨迹和加工时的磁极转速，磨粒粒径，加工间隙的具体值。
因此本发明提供的一种对空间不规则弯管弯曲处内表面抛光的最佳加工工艺方法，有效地将不同曲率半径下的加工参数进行确定，达到了理想的加工效果，解决以往弯管弯曲处加工不均的现象，节约了加工时间，提高了加工效率。

Claims (4)

1.一种空间不规则弯管弯曲处内表面抛光的最佳加工工艺方法，其特征在于，按如下步骤进行：
步骤一：获得同规格相同材料的直管加工工艺的最佳参数，通过对同等材质规格的直管进行加工，找到该材质的直管加工工艺最佳参数；
步骤二：对抛光轨迹进行确定，利用齐次坐标变换，运用中心线重构方法生成空间弯管内表面抛光轨迹；
步骤三：通过生成的连续加工轨迹路线，提取出机械臂在加工弯管时中心线上理想离散点；
步骤四：选择中心线上任意一点p与其相邻的前后两点p-1，p1，利用此三点，确定p点处的曲率半径ρ；
步骤五：通过将弯管弯曲处不同点的曲率半径以及弯管自身的半径代入补偿公式，利用直管最佳工艺参数，获取弯管过p点时轴向往返运动的正向进给速度V以及反向进给速度V′；
步骤六：将一系列的加工路径中的坐标串联起来就可获得最终的机械抛光轨迹；
步骤七：将一系列的加工路径中的每两点间机械手往复运动的速度串联起来就可获得最终的机械抛光不同曲率情况下的最佳加工速度；
所述的步骤五具体是指：
当加工直管时，磁极往复沿轴线运动，抛光装置上磁极运动速度相同，即正向运动时V1＝V＝V2，反向运动时V1′＝V′＝V2′，
但当抛光装置加工复杂空间弯管时，其正向运动时V1＞V＞V2，反向运动时V1′＜V′＜V2′，由直管加工工艺可知当轴向进给速度为V0时加工效果最好，故在抛光弯管时需使得最大抛光速度为V0，即正向运动时V1＝V0，反向运动V2＝V0时，抛光装置再加工复杂空间弯管时的轴向进给速度分别为V、V′效果最好，
故步骤五中往复运动中，速度补偿的相关公式(3)，(4)如下所示：
式(3)，(4)中，R为工件的半径，
通过此方式可以求出复杂的不同曲率半径的弯管加工时由p点至p1正向运动时轴向速度V，反向运动时速度V′。
2.根据权利要求1所述的空间不规则弯管弯曲处内表面抛光的最佳加工工艺方法，其特征在于所述的步骤一具体是指：
步骤一对同一材质相同规格下的直管进行试加工，根据管件加工过程控制方式以及工艺参数设置进行考虑，将影响管内壁加工效果的主要因素进行响应面分析，以分析各因素及交互作用因素对管内表面影响趋势，选用Box-Behnken法设计响应面分析；
对实验数据进行回归分析，可得出粗糙度与各因素及其交互作用时的具体相应函数，在以磁极转速，磨粒粒径，加工间隙，轴向进给速度为条件因素进行分析时，分别以其中的两个条件为定量，其余两条件为变量的条件下进行交互作用，分析粗糙度变化趋势，最终得出最佳加工参数。
3.根据权利要求1所述的空间不规则弯管弯曲处内表面抛光的最佳加工工艺方法，其特征在于所述的步骤二具体是指：
步骤二在对空间弯管轨迹确定如下，
首先要对弯管的中心线进行确定，即通过测量弯管外表面轮廓线，生成外轮廓空间点云，通过对点云进行数据处理，删除奇异点，对点云进行拟合生成工件外部的轮廓线，然后使用外轮廓线截面相交的方法生成该工件的中心线；
进一步地，将空间弯管的中心线进行等步长点化，就可获得此时机械手臂每步运动的坐标；
从而，通过对坐标的齐次转换，将工件坐标系到工具坐标系进行转化，最终可确定机械手的位置与姿态；
进而，通过选取空间弯管的中心线上的任意一点p，则可得到工具坐标系中的坐标原点，即空间弯管中心线点化时产生的(x0，y0，z0)，则在工具坐标系中可用齐次坐标形式的一个向量P表示，即P＝[x0，y0，z0，1]T，根据方向矢量n、o、a，可以得到，空间弯管在机械手手部的位置与姿态描述矩阵为：
最终，此时点p在机械手加工路径中的位置与姿态为：(x0，y0，z0，α，β，γ)，即为六自由度机械手最终加工空间弯管时所走的位置与姿态轨迹。
4.根据权利要求1所述的空间不规则弯管弯曲处内表面抛光的最佳加工工艺方法，其特征在于所述的步骤四具体是指：
由于空间弯管的曲率半径不同，所以抛光加工时其轴向速度是在变化的，因此在加工时，当抛光路线确定后，在中心轨迹上任选相邻的p-1(x-1，y-1，z-1)，p(x0，y0，z0)，p1(x1，y1，z1)三点，由于是对复杂空间弯管轨迹进行运算，故选取的三点不在同一条直线上，所以通过三点使用公式2可以确定其圆弧的曲率半径ρ，
|p-1o|2＝(x-x-1)2+(y-y-1)2+(z-z-1)2
|po|2＝(x-x0)2+(y-y0)2+(z-z0)2
|p1o|2＝(x-x1)2+(y-y1)2+(z-z1)2
|p-1o|＝|po|＝|p1o|＝ρ (2)
式(2)中，o为过三点的球心，设为(x，y，z)，
通过解方程可以得出各点的曲率半径ρ。
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