一种机械臂自适应磨削温度场建模方法、装置、介质及设备

本发明涉及智能制造领域，具体涉及一种机械臂自适应磨削温度场建模方法、装置、介质及设备，特别适用于采用球头磨头进行连续走刀磨削时的接触热源构建、瞬态温度场预测、最高磨削温度计算及磨削工艺热安全分析。

背景技术：

1、机械臂磨削具有工作空间大、轨迹可编程和加工姿态灵活等特点，可用于复杂曲面精密去除、材料磨削及难加工区域的自动化加工。球头磨头高速旋转并与待磨削材料接触时，磨粒切削、犁削和摩擦滑擦会将机械能转化为热量。由于热量集中输入于磨头端部的局部接触区域，若热量不能及时向周围材料扩散或随磨屑带离，接触区及其邻近区域的温度将快速升高，进而影响材料性能、加工质量和作业安全。

2、现有磨削温度建模方法通常将接触区简化为均匀热源，并以磨头外缘名义线速度或经验摩擦系数估算磨削功率。对于球头磨头端部接触工况，接触区内局部滑动速度由主轴轴线附近向接触边缘逐渐增大，真实发热区域也可能小于完整几何接触投影区域。采用完整接触面积和均匀热流分布容易低估局部热流峰值；采用名义线速度和经验摩擦系数又会使热输入受到较强的参数假设影响。

3、此外，机械臂沿预定轨迹连续进给时，磨削热源随机械臂运动在材料表面移动，进给速度会直接改变材料表面固定点的受热时间。若忽略热源移动、有限走刀时间和材料热扩散能力之间的耦合关系，则难以准确获得磨削过程中的瞬态温度场及最高磨削温度。因此，有必要建立一种考虑了接触几何、实测磨削反扭矩、圆盘移动热源和瞬态热传导响应的温度场建模方法。

技术实现思路

1、有鉴于此，本发明提供一种机械臂自适应磨削温度场建模方法、装置、介质及设备，用于解决球头磨头接触区域、磨削热输入、热源空间分布与热源移动效应相互分离的问题。该方法以球头磨头—材料接触几何为基础，以六维力和力矩传感器获得的磨削反扭矩确定磨削机械功率，并在总热功率守恒条件下建立径向非均匀圆盘移动热源，进而求解材料的瞬态温度场和最高磨削温度。

2、一种机械臂自适应磨削温度场建模方法，包括：

3、s1、建立球头磨头与待磨削材料之间的接触几何模型，根据球头磨头半径和法向压入量确定球头磨头在材料表面的几何接触区域，并通过有效热源面积系数对所述几何接触区域进行修正，得到等效热源区域；获取机械臂磨削过程中的六维力和力矩信号，根据所述六维力和力矩信号确定接触界面绕磨头轴线的磨削反扭矩，并基于所述磨削反扭矩、主轴转速和材料热分配系数，确定进入材料的等效热功率；

4、s2、基于所述等效热源区域和所述等效热功率，根据球头磨头接触区域内局部滑动速度随径向距离增大的分布特性，构建满足总热功率守恒的径向非均匀圆盘热源，并根据机械臂的进给速度确定所述径向非均匀圆盘热源在材料表面的位置，得到圆盘移动热源模型；

5、s3、根据材料的导热系数、密度和比热容确定材料热扩散率，将所述圆盘移动热源作为材料表面的热流边界条件，建立移动热源作用下的瞬态热传导模型，通过对所述瞬态热传导模型进行求解，获得机械臂磨削过程中的瞬态温度场，并从所述瞬态温度场中提取最高磨削温度。

6、上述所述方法中，所述建立球头磨头与待磨削材料之间的接触几何模型，根据球头磨头半径和法向压入量确定几何接触区域，通过有效热源面积系数获得等效热源区域，并根据机械臂磨削过程中的六维力和力矩信号确定磨削反扭矩、磨削机械功率及进入材料的等效热功率，包括：

7、依据球头磨头与待磨削材料之间的实际接触形式，将球头磨头等效为具有确定半径的光滑球体，将磨削接触区域内的材料表面近似为局部平面，建立球面—平面接触几何模型，为几何接触尺寸及热源区域计算提供基础；

8、依据所述球面—平面接触几何模型、球头磨头半径和法向压入量，确定球头磨头在材料表面的几何接触半径和几何接触投影面积，并通过有效热源面积系数进行修正，得到有效热源面积及等效热源半径；

9、依据所述有效热源面积和等效热源半径所确定的热源几何作用范围，在机械臂末端与磨削主轴之间设置六维力和力矩传感器，同步采集机械臂磨削过程中的三向力信号和三向力矩信号，形成热输入识别所需的原始数据；

10、依据所述三向力信号、三向力矩信号以及磨头接触点相对于传感器坐标系原点的位置，对绕主轴轴线的测量力矩进行力臂修正，并对稳定磨削时段内的修正结果进行异常值剔除和时间平均，得到平均磨削反扭矩；

11、依据所述平均磨削反扭矩和主轴转速确定球头磨头角速度及磨削机械功率，并根据磨削热在磨头、材料及磨屑之间的分配关系，引入材料热分配系数确定进入材料的等效热功率，将其与等效热源半径共同作为步骤s2的输入。

12、上述所述方法中，所述基于步骤s1得到的等效热源区域和等效热功率，根据球头磨头接触区域内局部滑动速度随径向距离增大的分布特性，构建满足总热功率守恒的径向非均匀圆盘热源，并结合机械臂进给速度、进给方向和磨削轨迹确定所述圆盘热源在材料表面的瞬时位置，从而建立圆盘移动热源模型，包括：

13、依据步骤s1得到的有效热源面积和等效热源半径，将球头磨头与待磨削材料之间实际发生切削、犁削及摩擦发热的不规则区域，等效为作用于材料表面的有限圆盘热源，并以所述等效热源半径限定热流的空间作用边界；

14、依据球头磨头接触区域内局部滑动速度由主轴轴线附近向接触区域边缘逐渐增大的特点，确定圆盘热源的径向非均匀分布形式，使热流密度由圆盘热源中心向其边缘线性增大，以表征接触区域内发热强度的径向变化规律；

15、依据所述径向非均匀热流分布形式和步骤s1得到的等效热功率，建立圆盘热源作用区域内热流密度的面积积分关系，并根据总热功率守恒条件确定热流密度比例系数，使热流密度积分结果等于进入材料的等效热功率；

16、依据完成热功率归一化后的径向非均匀热流分布，以及机械臂的进给速度、进给方向、初始热源位置和磨削时间，确定圆盘热源中心在材料表面随时间变化的瞬时位置，并计算待计算点到当前热源中心的瞬时径向距离；

17、依据所述瞬时径向距离与等效热源半径之间的大小关系，采用heaviside函数对径向非均匀热流进行空间截断，使磨削热流仅作用于当前圆盘热源覆盖区域，由此建立圆盘移动热源模型，并将其作为步骤s3中的表面热流边界条件。

18、上述所述方法中，所述根据待磨削材料的热物性参数确定材料热扩散能力，将步骤s2建立的圆盘移动热源作为材料表面的热流边界条件，建立移动热源作用下的瞬态热传导模型，并通过求解所述瞬态热传导模型获得机械臂磨削过程中的瞬态温度场及瞬态最高磨削温度，包括：

19、依据待磨削材料的导热系数、密度和比热容确定材料热扩散率，用于表征磨削热进入材料后的内部传导和扩散能力，并根据磨削接触区域相对于材料整体尺寸较小的特点，将接触区域附近的材料等效为具有初始温度的半无限体；

20、依据所述半无限体假设、材料热扩散率及其他热物性参数，建立材料内部的瞬态热传导控制方程，将材料磨削前的均匀温度设置为初始条件，并将步骤s2建立的圆盘移动热源设置为材料表面的热流边界条件；

21、依据机械臂进给速度、等效热源半径和材料热扩散率确定移动热源peclet数，用于表征热源移动与材料热扩散之间的相对关系，并依据磨削作用时间、等效热源半径和材料热扩散率确定无量纲加热时长，用于表征有限时间内的热量累积；

22、依据所述peclet数、无量纲加热时长、材料初始条件以及半无限体表面热流green函数，对圆盘移动热源在不同作用位置和不同时刻产生的温升响应进行空间积分和时间积分，获得材料内部任一位置随磨削时间变化的瞬态温升；

23、依据所述瞬态温升与材料初始温度之间的叠加关系，获得机械臂磨削过程中的瞬态温度场，并在设定的材料计算区域和磨削作用时间内搜索温度最大值，得到瞬态最高磨削温度及其解析预测模型，完成机械臂自适应磨削温度场模型的构建。

24、由以上技术方案可以看出，本发明具有以下有益效果：

25、本发明通过建立球头磨头与待磨削材料之间的接触几何模型，引入有效热源面积系数对实际发热区域进行等效表征，并基于六维力和力矩信号获得磨削反扭矩，进而确定进入材料的等效热功率；同时，根据球头磨头接触区域内局部滑动速度随径向距离增大的分布特性，构建满足总热功率守恒的径向非均匀圆盘移动热源，并将所述圆盘移动热源与材料热扩散特性相结合，建立机械臂磨削过程的瞬态温度场及瞬态最高磨削温度预测模型。相比采用固定热源面积、均匀热流分布或经验磨削功率的温度预测方法，本发明能够综合反映球头接触几何、实际磨削热输入、热源空间分布、进给移动效应以及材料热扩散之间的耦合作用，提高机械臂磨削温度预测的合理性和准确性，为磨削工艺参数选择、温度风险评估及热安全控制提供模型基础。