一种磨刀机刀具装夹姿态偏差感知与刃磨路径修正方法与流程

本发明涉及刀具加工，具体为一种磨刀机刀具装夹姿态偏差感知与刃磨路径修正方法。

背景技术：

1、磨刀机刃磨加工中，刀具装夹姿态的准确性是保证刃口精度的前提，而实际装夹时，刀具在夹具中不可避免地存在沿x、y、z三个方向的平移偏位以及绕三个坐标轴的旋转偏摆。

2、通过千分表在刀具外圆上取点来推算径向跳动，能够避免出现平移偏位和旋转偏摆，但是难以完整描述整个刀具廓形在空间中的真实位姿。而目前所引入的在线测量手段，过线激光或接触式探针获取装夹状态下刀具表面的点云数据，再与理论模型进行比对来反推偏差，虽然能够描述刀具廓形在空间中的位姿，但是显然未考虑刀具廓形的空间弯曲会直接干扰点云间的距离度量的问题，在优化过程中容易将曲面本身的几何畸变误判为装夹姿态偏差，从而旋转量和平移量的计算结果与真实姿态存在较大出入，并且装夹偏差较大时，这类算法还容易陷入局部极值，收敛稳定性不足，由此后续的刃磨路径修正也就失去了准确的前提。

技术实现思路

1、针对现有技术的不足，本发明提供了一种磨刀机刀具装夹姿态偏差感知与刃磨路径修正方法，包括以下具体步骤：

2、s1、基于刀具计算机设计模型提取的几何信息生成采样网格，通过读取空间坐标后生成廓形基准点集，基于刀具处于夹持状态的传感采集获取原始装夹状态点集，通过对原始装夹状态点集的滤波后，形成有装夹状态实测点集；

3、s2、基于廓形基准点集构建基准网格，并对基准网格执行曲面度量平坦演化，将演化所得平坦度量网格的每个节点对应平面坐标集合为基准曲面展平坐标集，基于基准曲面展平坐标集标定廓形多尺度孔洞寿命谱，并基于基准曲面展平坐标集进行点位结构的内部传输关系矩阵的求解；

4、s3、基于初始化的装夹姿态偏差通过指数映射转换为刚体变换矩阵，并将装夹状态实测点集中每一个点结合刚体变换矩阵，形成当前尝试装夹点集，完成空间变换后，将当前尝试装夹点集重复执行s2操作后，获得当前尝试展平坐标集，基于内部传输关系矩阵建立当前尝试点集与基准点集的结构传输关系，并构建当前刀具状态的多尺度孔洞寿命谱，基于多尺度孔洞寿命谱与廓形多尺度孔洞寿命谱的差异获得装夹姿态偏差能量后，得到实际刀具装夹相对于理想装夹的六自由度装夹姿态偏差；

5、s4、基于六自由度装夹姿态偏差形成平移修正向量，通过逐行提取后对每个控制点执行补偿修正。

6、优选的，所述s1基于刀具计算机设计模型，并以刀具回转轴线为参考方向在刀具计算机设计模型表面沿周向和轴向按等弧长间隔生成螺旋采样线，基于螺旋采样线上提取空间点的三维坐标，构成作为廓形基准点集的有序阵列，由此通过刀具设计坐标系到磨刀机夹具定位基准坐标系的预标定刚体变换关系，将该点集中所有点的坐标统一映射到装夹评价参考系下；

7、基于磨刀机工作区内的线激光轮廓传感器，并通过线激光轮廓传感器投射的激光线与刀具轴线呈预设夹角后，将刀具在工件轴驱动下绕轴线匀速旋转，且线激光轮廓传感器沿平行于轴线的导轨匀速平移，通过每个编码器同步触发时刻获取激光线在刀具表面反射形成的二维轮廓点位置，连续采集完整扫描行程后获得原始装夹状态点集，由此将轮廓点重构为机床坐标系下的三维点；

8、所述s1为消除传感器噪声及点密度差异对后续偏差感知的干扰，对原始装夹状态点集进行滤波，具体为：将原始装夹状态点集所在的空间划分为三维网格单元，网格单元的边长依据其内部原始点的密集程度自动设定，即在刃口等点密度高的区域，边长自动缩小以保留锋锐几何特征，刀体平滑区域，边长自动增大以平滑随机波动；并将每个非空网格单元计算位于内部的所有原始点的三个坐标分量的算术平均值，形成代表点，并清除非空网格单元内所有原始点，形成点密度均匀、刃口特征得到保持的装夹状态实测点集。

9、优选的，所述s2基于将廓形基准点集中的每一个采样点作为节点并通过k近邻法建立点间的连接关系，具体为：计算每个节点到其余节点的直线距离，连接距离最小的若干其余节点形成边，遍历所有三节点组合，存在三个节点两两之间均有边时，将三条边围成的区域填充为三角面片，获得作为基准网格的无缝覆盖全部节点、无拓扑缺陷的三角网格；

10、根据基准网格中每一个位于内部的节点，寻找出所有以节点为顶点的三角面片，基于每个三角面片内以三条边的当前长度，并通过边长与夹角的关系解算获得节点所在位置的内角数值；

11、将节点所有三角面片的内角进行累加，并以2π与累加和的差值作为节点的当前高斯曲率，若差值为正，说明曲面在该节点局部呈凸起状，为负则呈凹陷状，为零则表示该局部已平坦；

12、将基准网格中每一个位于内部的节点的目标高斯曲率设置为零，基于基准网格的拓扑连接关系和边长度，构建以各节点缩放因子修正量为未知数的线性方程组，需说明的是，方程组的系数由各边两端节点所在三角形的角度余切值构成，方程组右侧常数为当前高斯曲率与目标曲率零的差值，通过求解线性方程组得到每个节点缩放因子的微调量。

13、优选的，所述s2基于基准网格中的每一条边，寻找每一条边连接的两个节点，将对应的两个当前缩放因子相加，通过计算自然常数e的和值次幂获得边长缩放倍率，基于边长缩放倍率与边长度的乘积作为对应边的新长度，全网格所有边的长度同步更新；

14、将基准网格的每条边长度更新后，迭代计算当前基准网格内所有节点的当前高斯曲率绝对值，存在当前所有高斯曲率绝对值的最大值小于预设阈值后，停止迭代，将当前基准网格作为平坦度量网格，且当前所有高斯曲率绝对值的最大值作为基准平坦度量。

15、优选的，所述s2基于平坦度量网格上任选一个节点作为原点并赋予二维平面坐标原点值，并选取一条与原点相连的边赋予沿横轴方向的坐标，按广度优先顺序逐个处理每个三角面片，所有节点的平面坐标构成有基准曲面展平坐标集，并赋值每个节点的节点面积权重，基于基准曲面展平坐标集以基准平坦度量下的边长作为路径长度，执行最短路径搜索算法，计算获取任意两个节点之间的作为展平测地距离的最短路径长度，将所有节点对间的展平测地距离存入矩阵，基于所设置的从零开始逐渐增大的观察尺度参数与展平测地距离比较后生成包括节点、边、三角面片、四面体的形状结构，形成多尺度拓扑生长序列，并通过执行持续同调算法获得廓形多尺度孔洞寿命谱。

16、优选的，所述s2在基准曲面展平坐标集中将每个节点的除以全部节点面积权重之和，获得节点的归一化质量，并将所有节点的归一化质量构成基准源分布，并基于任意两个节点在基准曲面展平坐标下欧氏距离的平方作为移动代价；

17、所述s2在引入基准源分布和移动代价后，对基准曲面展平坐标集中进行传输关系求解，形成内部传输关系矩阵。

18、优选的，所述s3基于三个旋转偏差量和三个平移偏差量组成待求的装夹姿态偏差，待求的装夹姿态偏差用包含六个数值的向量表示，并将三个旋转偏差量和三个平移偏差量初始值均设为零后，通过指数映射将待求的装夹姿态偏差转换为四行四列的刚体变换矩阵，并通过遍历装夹状态实测点集中的每一个点，将三维坐标扩展为齐次坐标，指的是在原三个坐标值后补充一个值为1的第四分量，并通过刚体变换矩阵左乘齐次坐标的列向量，将结果向量的前三个分量作为变换后的空间位置，对装夹状态实测点集重复操作后，获得当前尝试装夹点集，将当前尝试装夹点集重复所述s2操作后，获得的平坦度量网格展平到二维平面，得到当前尝试展平坐标集，将当前尝试展平坐标集的所有节点的面积权重归一化，形成尝试源分布，并基于基准曲面展平坐标集的基准目标分布，计算尝试源分布中每个节点与基准目标分布中每个节点在各自展平坐标系下的欧氏距离平方，构建有跨域移动代价矩阵，因为在实际的跨域中不仅考虑空间距离的同时，还要考虑到刀具形状的内在结构约束，故而本技术提供内部传输关系矩阵对跨域移动代价矩阵进行修正，包括：通过尝试源分布节点和基准目标分布节点在内部传输关系矩阵中，每一行的所有元素和作为尝试源分布节点的理想散布量，每一列的所有元素之和作为基准目标分布节点的理想聚集量，基于理想散布量与理想聚集量的几何平均数获得结构协调系数，将跨域移动代价矩阵中任一行列的元素值除以结构协调系数，获得修正后的跨域移动代价，对修正后的移动代价矩阵通过传输关系求解，形成当前跨域传输关系矩阵。

19、优选的，所述s3将当前尝试展平坐标集的所有节点和基准曲面展平坐标集的所有节点合并为节点集合，并根据所得节点集合中任意两节点之间的连接权重，构建多尺度拓扑生长序列，将所得多尺度拓扑生长序列重复所述s2的标定操作，获得传输感知多尺度孔洞寿命谱；基于传输感知多尺度孔洞寿命谱与廓形多尺度孔洞寿命谱中每一个区间作为二维平面上的一个点，引入所有点到对角线的投影点作为增广集合，在允许区间点与对角线点配对的情况下，使得所有配对点之间欧氏距离平方的总和达到最小，并将最小综合的平方根作为装夹姿态偏差能量。

20、优选的，所述s3基于所获取的装夹姿态偏差能量通过用链式求导法，计算装夹姿态偏差能量的每一个分量的偏导数，并组合成梯度向量；

21、并根据梯度向量的反方向进行一维搜索，从初始步长出发反复将初始步长折半后，将当前步长乘以负梯度向量作为修正量，更新包含三个旋转偏差量和三个平移偏差量的装夹姿态偏差的值；将更新的装夹姿态偏差作为当前尝试姿态，对原始的装夹状态实测点集重新执行空间变换，将最终的装夹姿态偏差取负后通过指数映射转换为刚体变换，输出有包含三个旋转角偏差、三个平移偏差的六自由度装夹姿态偏差。

22、优选的，所述s4基于六自由度装夹姿态偏差的三个旋转偏差角构建三行三列的旋转修正矩阵，并将平移偏差组合成平移修正向量，基于标准刃磨路径程序逐行提取出刀具路径控制点的位置坐标和对应的砂轮轴线方向矢量，并对每一个控制点执行补偿修正，并将标准刃磨路径程序段中的原有位置坐标和轴矢量全部替换为修正后的数值，磨刀机基于标准刃磨路径程序段驱动机床各运动轴，使砂轮相对于刀具的磨削运动补偿了装夹姿态偏差。

23、有益效果

24、本发明提供了一种磨刀机刀具装夹姿态偏差感知与刃磨路径修正方法，具备以下有益效果：

25、通过构建基准网格并执行曲面度量平坦演化，将刀具复杂曲面展平到二维平面，在保留曲面内在几何结构的同时消除了弯曲带来的畸变干扰，且标定廓形多尺度孔洞寿命谱并求解内部传输关系矩阵，使后续的偏差感知能够充分反映刀具廓形的整体形态特征，而非依赖少数离散点的位置信息，最后将感知得到的六自由度装夹姿态偏差通过刚体变换转换为平移修正向量和旋转修正矩阵，逐行提取标准刃磨路径程序中的控制点信息后执行补偿修正，使修正后的刃磨路径能够抵消装夹姿态偏差带来的影响，保证砂轮相对于刀具的磨削运动与理论轨迹一致。