No.3Mar.2021
第3期2021年3月组合机床与自动化加工技术
Modular Machine Tool & Automatic Manufacturing Techninue
文章编号：1001 -2265（2021）03 -0119 -05
DOI # 10.13462/j. cnki. mmwmt. 2021.03.029
*收稿日期：2020-04-06；修回日期：2020-05 -15*基金项目：福建省重大产学研项目（2018H6025）
作者简介：刘建春（1972—），男，福建永春人，厦门理工学院教授，博士，研究方向为机器人、人工智能、机器视觉等，（E-mail ）ljc@xmuh edu. cn ；通
讯作者：陈博伦（1994—），男，安徽六安人，厦门理工学院硕士研究生，研究方向为机器人系统构建及加工工艺研究，（E-mil ） 510168871@ qq. com 。
刘建春1，陈博伦1，林晓辉1，邹朝圣2
（1.厦门理工学院机械与汽车工程学院，福建厦门361024；2.厦门万久科技股份有限公司，福建 厦门 361024）
摘要：针对工业机器人砂带磨削最优工艺参数组合的选择，通过机器人夹持工件进行砂带磨削，采
用正交实验和极差、方差分析方法研究砂带线速度、工件进给量、横向进给速度、砂带目数对工件表 面粗糙度Pa 及材料去除深度MRD 的影响，探究其最优工艺参数组合，并通过正交实验数据建立变 量与实验结果的线性回归预测模型。结果表明：综合考虑表面粗糙度Pa 及MRD 的最优加工参数 组合为砂带线速度18 m/s ，进给量0.5 mm ，横向进给速度100 mm/s ，砂带目数80 #。砂带目数对 工件表面粗糙度Pa 的影响起主导作用，砂带线速度、工件进给量次之。工件进给量对MRD 的影响 起主导作用，砂带线速度、砂带目数次之。当砂带目数处于80 #〜240 #时，工件表面粗糙度Pa 会
随着砂带目数的增大而减小，影响程度有减弱的趋势。当工件进给量处于0.2 mm 〜0.5 mm 时，
MRD 会随着工件进给量的增大而增大，影响程度有减弱的趋势。
关键词：工业机器人；砂带磨削；正交实验；磨削参数；表面粗糙度；材料去除深度中图分类号:TH161 ；TG659
文献标识码:A
Analysit and Optimization of Robot Belt Grinding Process Based on Orttogonal Experiment
LIU Jian-chun 1 , CHEN Bo-lun 1, LIN Xiao-huV , POU Chao-sheng 2
(1. School of Mechanical and Automotive Engineering , Xiamen University of Technology , Xiamen Fujian 361024, China ； 2. Xiamen Winjoin Technology Co. LTD., Xiamen Fujian 361024, China )
Abstrach : Abrasive belt grinding for an industrial mbot , ie choice of the optimal proces s parameters com bination by robotscamping workpieceabrasivebetgrinding , theextreme3y by orthogona3experimentand varianceana3ysismethod research theabrasivebetve3ocity , theworkpiecefeeding , traversespeed , abra sive belt mesh for ie workpiece surface Toughness Pa and the influence of the depth of material removal MRD , explore the optimal process parameters combination , and through the orthogonal experiment data vari able with the test results of lineas regression forecast model is set up. The results show that consideOng the
surface roughness. Pa and MRD , the optimal processing parametes combination is 18 m/s lin
eas velocity of the sand belt , 0. 5 mm feed quantity , 100 mm// transverse feed speed , and numbes of sand belt mesh 80 #. The numbes of mesh plays a leading role in influencing the surface roughness Pa of the workpiece , followed
by the lineas velocity and the woOpiecc feed. The quantity of woOpiecc feed plays a leading role in the influ ence of MRD. When the numbes of sand belt mesh X between 80 # ~ 240 #, the surface roughness Pa of the workpxcc wil l decrease with the increase of the numbes of sand belt mesh , and the influence degree Rnds to weak. When the workpxcc feed quantity is between 0. 2 mm ~ 0. 5 mm , MRD wil l increase with the increase of the workpxcc feed quantity , and the influence degree tends to decrease.
Key wordt : industtai robot ；belt grinding ；oriogonai experiment ；grinding parameters ；surface Toughnes s ；
mawral removal depi
0引言
机器人砂带磨削在现代制造领域占据着非常重要
的地位，尤其是在某些关键零部件的生产制造中发挥
着巨大优势。工件表面材料会在砂带磨粒滑擦、耕犁
和切削的作用下被去除，这三个过程都发生在磨粒与 工件表面产生不同程度的挤压情况下［1-2］，这就意味着 磨粒和工件表面的挤压可能会导致加工表面发生塑性 变形、去除过多、去除过少或裂纹等对表面质量产生负
-120-组合机床与自动化加工技术第3期
面影响的现象。而磨粒与面的挤压作与磨
参数有着可分的关系［3］，对砂带磨.艺
的研究了外学者和研究人员的重视。
Huang Zhl等⑷通试出砂带线速度、砂带
粒度、进给速度三个磨参数对面
影响较大的结果。华［5］究了砂带磨粒
的类型、砂带线速度、速度对材料去除效
的影响。刘［6］针对复杂曲面研究了砂带线
速度、砂带目数对去除率、表面硬度及粗糙度的
影响。
研究主要针对单个磨参数对面影响，对于多个对面同作用的没有进行进的研究。
Xiao Guijian等采用正交试验的方法进行砂带磨削试验。通对结果的分析分到了去除率、砂带磨及磨削比最佳的试验参数。但并没有综合考虑试出最优参数组合。WU Xiaojun$'%对磨抛材料进行I素正交试验，最终到当砂带目数320#，磨速度4500r/min，进给深度0.4mm，进给速度80mm/s ，磨最好。$9%正交试验结【多元线性分析，了以砂带磨削深度、表面粗糙度、表面硬度为因变量，砂带线速度、磨E 、进给速度、砂带目数为自变量的一阶方程，到了具定可靠性的预测。Qi Junde $10%反向，了输入为最大深度、砂带线速度、工件进给速度，输出为：表面粗糙度的预测。
文以铜合金异构件水龙头为例，通机器人夹持的磨削方式，采正交极差、方差分方法，分砂带线速度、进给、向进给速度、砂带粒度对表面粗糙度及去除深度(MRD"的影响规律，综合虑表面粗糙度和MRD，究其最优的参数组合。并通过正交数4个变与结的线性测
CTV
1机器人砂带磨削方法
为铜合金异构件砂带磨削，设计了1所的机器人砂带磨。机器人通夹具夹持异构件，机器人线性移动使异构件与接触轮生径向进给量3，同砂带以线速度”运转，个同作砂带磨削的去除。
为了研究不同目数砂带磨，砂带机可更同目数6的砂带。为了使磨面产生状到更好的表面［11%，异构件沿着接向方向的运动，运动时设置的机器人沿着接向方向运动的线速度为横向进给速度””。
1机器人2.弹簧夹具3.异构件4.砂带机5.接触轮
图1机器人砂带磨削原理图
2实验过程
⑴
磨抛主要机器人、异构夹具、砂带机。其砂带机主要由砂带、驱动、张紧轮、接、调偏装置及砂带机控制柜。
(2)测试方式
检测设粗糙度检测线检测仪，线检测仪通过检测磨削前面点云数据差值得到MRD。为了测的误差，表面粗糙度P)和MRD的结果均采用三次测量取平均值的方式获得。
(3)方案
为次数并得到对的影响，采用正交实验方法，选取L16正交阵列(四因素四水平)。通过企业调研结合取磨削参数及水平见表1，正交实验方案设计见表2。
表1正交实验因素水平
因素
水平
1234砂带速度S/(m/r)12141618
进给Tsmm
0.20.30.40.5
横向进给速度C/(mm/r)80100120140砂带粒度'/#6080120240
表2交验方案
S/(m/r)B/mm C/(mmC r)'/# 1120.28060
2120.310080
3120.4120120
4120.5140240
5140.2100120
6140.380240
7140.414060
8140.512080
9160.2120240
10160.3140120
11160.48080
12160.510060
13180.214080
14180.312060
15180.4100240
16180.580
120
2021年3月刘建春，等：基于正交实验的机器人砂带磨削工艺分析及优化-121-
3实验结果分析与讨论
为了深入分析正交结果，得到个变量对工
面粗糙度及MRD的影响，通过极差和方差分
对实验结果进行数据分析)
3.1极差分析
极差分正交试验数据分的直观分析。
通过对极差数值的分析，得到变量对面的
影响程度，其影响程度选取较优水合。
一般的，用.(0=A、B、C…,j=1*2*3…"表示
因素z第丿水平的变量值,C表示在不同变量.下得
到的结，则：
3
B=%c*(1)
其中,B表示因素z在第；水平结果的统计参数，
(\=1、2、3…3)c组实验中得到的结
O
个的极差表示该因子各水平均值的最大值
与最小值的差，即：
==max{B1，心}-min{B，心,B}(2)
式中，=(0=S、B、U…)代表i因素的极差，B表示因
'水平的均值。
极差分析能够直观判断出各个对结果的
影响程度并判的较优水合。为了深入分
正交数据，排除误差对结果的影响，研
究各个变量对影响的显著性水平，将进行方
差分析。
3.2方差分析
方差分析可以从变量因素和实验误差两个方面解
释对的影响。S总为的实验数据变动平方
其可分为变量因素变动平方和S和误差变动平方
S?，即：
7 S=
%%(-3T s=%F7
30(3)
(4)
s=s「％S(5)
为消除变动平方自由度的影响，将s、s分别除以对应自由度，得到均方和，最终得到*值。
其中,1为正交 水平数,+为个数, 3。为的次数,7为的』为因自由度，尤为误差自由度。*值反是否对实结生显著影响。
3.3实验结论
存在主义哲学磨抛2，正交排，对最终的结果进行测量，得到结3。1.PU轮2.上接触轮3.SiC砂带4.下接触轮5.砂带机控制柜&张紧7.调偏电机&张紧
3.3.1极差结
极差分析法，对本实验中的各项参数进行极差分析，其结果见表3。
表3正交实验极差分析结果
因素
砂带速度进给量向进给砂带度
A/(m/r)B smm速度cs(mmss)'s#
1.565 1.281 1.396 1.610
1.426 1.367 1.364 1.546
粗糙度jm 1.329 1.436 1.411 1.358
1.319 1.555 1.468 1.126
0.2460.2740.1040.484
0.4110.3840.5090.610
0.5430.4740.5360.593 MRDsmm0.5850.6080.5210.497
0.5910.6630.5630.429
0.1800.2790.0540.181
通过对 结果的极差分析可到,4个实验变量对表面粗糙度相对影响程度为：='(0.484)> =b(0.274)>=(0.246)>=(0.104)，即砂带目数对面粗糙度的影响最大，横向进给速度对表面粗糙度的影响最力、。同可参数对MRD的相对影响度，即进给量对MRD影响最大，横向进给速度对其影响最力、。
极差分析中各个均值大反四个水平上的差异，可通过极差分析中的综合比较得到加工参数的较优水合。
粗糙度作为评价标准时，极差分可得，砂带速度四水平(18m/s)时，粗糙度(= 1.319,m)在四个水最低；进给水平(0.2mm"时，粗糙度(=1.281,m)最(横向进给速度二水平(100mm/s)时，粗糙度(P)=1.364 ,m)最(砂带目数四水平(240#)，粗糙度(=1.126,m)最。因此A4B1C2D4为粗糙
农业统计分析
度加
・122・组合机床与自动化加工技术第3期参数中的较优水合。同理，以MRD为优化对象
A4B4C4D1为较优水合。
3.3.2方差结果
通参数代入式(3)~式(6"，得到方差结果，见表4、5。
表4粗糙度方差分析结果
方差来源方SS自度3均方HS F
线速度S0,15730,05227,542
进给量T0,16030,05328,013
横向进给速度C0,02330,0084,020
砂带目数'0,56930,19099,708误差0,00630,002
表5MRD方差分析结果
方差来源方SS自度3均方HS F
转基因鸡线速度S0,08430,02813,592
进给量T0,19230,06431,012
横向进给速度C0,00730,0021,053
砂带目数'0,08630,02913,950误差0,00630,002
选取显著性水平！为0.1和0.01，查阅F分布表可得F0.(3,3)= 5.39，Fa(3,3)=29.46,F> F0.99(3,3)该因素对影响高度显著，当F c(3,3)<F<F0.99(3,3)该对影响
著。当F<F0.(3,3)该对无显著影响。
结合方差分4、5，砂带目数'对面粗糙度Pa的影响高度著；砂带线速度S进给T 对面粗糙度Pa的影响显著；横向进给速度U 对面粗糙度Pa无著影响。进给量T对MRD 的影响高度显著；砂带线速度S和砂带目数'对MRD 的影响显著；横向进给速度U对MRD无显著影响。
4优化分析及预测模型
4.1优化分析
著性分可知，向进给速度对面粗糙度Pa和MRD都没著影响，参数时可
[12]，这里面粗糙度最低的U(100mm/s)作为最终参数。
为更加直观研究显著影响高度显著影响因对面粗糙度及MRD的影响，结合极差分析中到的均值数据，采B-样条曲线进行合，到对两个的影响，4~图6所zKo
0.60
0.56
0.52I
0.48N
0.44
砂带线速度/(mm®
图4砂带线速度对实验指标的趋势
—MRD拟合曲线.
0.66
0.60
0.54
0.48
0.42
工件进给量/mm
•血试验数I
・&试验数据
5
2
=§
-
®
-
-兵人模型
三£
图工件进给量对实验指标的影响趋势
0.60
0.56
0.52
0.48
0.44
图6砂带目数验指标的趋势
4砂带线速度对表面粗糙度和MRD的影响，可知面粗糙度随着砂带线速度的增大而降低。曲线斜率的绝对值，说砂带线速度对表面粗糙度的影响程度逐。MRD随着砂带线速度增大而增大，影响程度逐；图5进给量对表面粗糙度和MRD的影响，随着进给量的增加，面粗糙度MRD随增，对面粗糙度的影响程度有增大的，对MRD的影响程度弱的趋势；图6砂带目数对表面粗糙度和MRD的影响趋势，随着砂带目数的增大面粗糙度和MRD 随，影响程度的趋势。
通过极差分到，面粗糙度Pa为优化对象时，优选加工参数组合为A4B1C2D4，以MRD为优化对象时，优选加工参数组合为A4B4C4D1)在实生，要同面粗糙度Pa和MRD较好的水平。这里砂带参数优水平评价指数$13%:
[二丄(0二…)
式中，；极差分0个面粗糙度的均值, J极差分i个MRD的均值。[越大
)优水平评价指数7。
A B D
试验参数
图7实验因素优水平评价指数
根据图7可得，[,4>%>%>[s，所以S (18m//为砂带线速度的最优参数。同可得，T(0.5mm),D2(80#"为最优参数。，的最优参数组合为A4B4C2D2。
2021年3月刘建春，等：基于正交实验的机器人砂带磨削工艺分析及优化-123-
4.2回归预测模型
多元线性回归是用于寻求变量与自变量之间关系
的一种实验设计方法。其回归模型为：
0=!0+!1!1+!...........!1-1++5(7)
即：Y=+5(8)
「y1_-1!
11-
•久=1-
其中，c=
O
X=
I1
耻骨联合
!121
•恋2
-O--1
!111•% -«1--51-
«2I52
h=5=
-h1--51-
利用正交实验数据，通过Matlab数学分析软件建立砂带线速度(、工件进给量3、横向进给速度(”、砂带目数6与表面粗糙度及MRD的回归预测模型。最终回归方程如下：
Pa= 1.912-0.042(+0.8883+0.001(-0.0036
HP'=-0.198+0.029(+0.9683+0.001(-0.0016通过拟合优度、校正测定系数和显著性检验(F检验)作为回归方程的分析结果，即：
P2=SSP=1-SSQ(9)
SS7SS7''
P)=1-(1-P2)(”-打)(10)
*=SSP/N(11)
=SSQ/5-=-1)()其中,1为样本总量，=为自变量个数,SSP为回归平方和,SSQ为剩余平方和,SS7为SSP
与SSQ之和。最终结果如表6所示。
表6线性回归分析结果
因变量拟合优度
P2/%
校正测定系数
P)s%
F
表面粗糙度93.8%91.6%41.763 HP'90.0%86.3%24.541
表面粗糙粗度Pa和MRD的拟合优度P2及校正测定系数P)都大于85%，说明此回归方程有很好的拟合效果，方程4个自变量对因变量的解释能力较强。选取显著性水平！为0.05，查表得F0c5(4,11)= 3.36，表面粗糙粗度P)和MRD的F值远大于*，说明建立的回归方程的置信度达到99.95%，具有可靠的预测效果。
5结论
通过正交实验得到砂带线速度、工件进给量、横向进给速度、砂带目数对工件表面粗糙度及MRD的影响，其对表面粗糙度P)的影响大小为砂带目数〉进给量＞砂带线速度＞横向进给速度)对MRD影响大小为进给量〉砂带目数＞砂带线速度〉横向进给速度。方差分析得到砂带目数对表面粗糙度的影响高度显著，工件进给量对MRD的影响高度显著。并且两者的影响强度都有减弱的趋势。综合考虑实验指标得到最佳工艺参数组合，并通正交数具可靠测的多元线性回归模型。
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(编辑李秀敏)
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