【摘 要】
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机器人制孔在航空制造领域已经有广泛的应用,但受机械臂串联方式的限制,制孔系统的刚度相对不足,制孔过程中在钻削力的作用下,机器人末端易产生颤动或滑移,甚至系统发生颤振,
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机器人制孔在航空制造领域已经有广泛的应用,但受机械臂串联方式的限制,制孔系统的刚度相对不足,制孔过程中在钻削力的作用下,机器人末端易产生颤动或滑移,甚至系统发生颤振,影响制孔的精度和质量。本文对机器人在制孔过程中钻削力作用下的变形与振动的研究,着手于以钻削力为外载荷的机器人连杆系统动力学分析,建立相关数学及仿真建模,由仿真分析系统的制孔效果,并以四个方面展开:首先,提取机器人的参数,包括机械臂的长度、质量、质心等,建立机器人制孔系统的三维实体模型;以D-H参数法前置模型对机器人系统定义连杆坐标系,由矢量积分法推导出机器人的雅可比矩阵。其次,考虑机器人关节的柔性,将其简化为具有刚度、阻尼的线性扭转弹簧,运用拉格朗日法推导出考虑关节柔性的机器人系统动力学方程;并分析机器人系统在不同姿态下的刚度。再次,从普通麻花钻结构出发,结合实验结果,建立钻削力数学模型。又考虑到机器人末端受外力作用会产生空间位移颤动,对钻削力模型进行改进,考虑钻头空间的跳动对钻削力的影响。最后,将机器人动力学模型与钻削力模型联立,在Matlab/Simulink中建立积分反馈仿真模型。仿真中,设定几组姿态,保持钻头高度位置、进给方向一致;分析机器人系统的动态变化,包括关节、末端变形及振动效应,以制孔轴线跳动分析不同姿态下的制孔效果;并在其中一组姿态下进行以转速与进给速度不同组合的仿真,以钻削轴向力的波动特征为切入点,分析系统制孔的稳定性,并计算机器人系统在该姿态的振动频率。由仿真结果分析:保持机器人制孔系统的钻头高度位置、进给方向一致,不同姿态下以相同的钻削参数制孔的效果不同,并且当制孔偏差太大时,分析认为系统处在不稳定状态,不适合该姿态下以相应钻削参数制孔;姿态一定时,以不同的钻削参数制孔的效果也不同,并且分析出该姿态下以不同钻削参数制孔的系统稳定性,模型中钻削速度越高,稳定性越好。系统的稳定性影响制孔的效果,机器人制孔作业中,选取合适的姿态、钻削速度和进给速度,对提高制孔质量和制孔效率是很重要的。
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