航空结构件工艺凸台机器人去除系统刚度特性及铣削颤振抑制研究

• 作 者: 张一然
• 出 处: 山东大学
• 发表日期: 2020年01期

工业机器人是制造业发展过程中不可替代的重要装备。近年来,机器人已在焊接、喷涂、搬运等劳动密集型场合以固定时序高质量、高精度、高速完成重复性作业任务,同时,在金属切削领域中机器人加工系统也得到了迅猛发展。与机床相比,机器人以广域、高灵巧性、高可重构性、低成本的特点在完成大尺寸、定制化、中小批量的结构件加工任务中占据绝对优势。然而,在铣削过程中机器人的服役环境恶劣,高材料去除率与断续切削所产生的高频、时变冲击载荷,导致系统静、动态力学行为复杂,严重影响产品质量与生产效率的提升。随着航空工业的不断发展,先进数控加工技术已成为整体结构件的主要成形方法,工艺凸台为整体结构件数控加工过程提供了稳定、可靠的装夹方案,在加工完成后,需要沿工件侧壁切断工艺凸台与工件的连接结构（该过程称为“工艺凸台去除”）。目前,工艺凸台主要有机床、手工两种去除方式,机床去除存在占机时间长、生产成本高、工作空间受限等弊端,采用手工去除存在质量稳定性差、经验依赖性强、操作环境恶劣等问题。针对上述航空结构件工艺凸台去除现状,本文以开发集成一套基于机器人的工艺凸台去除系统进而突破制约航空结构件制造能力与水平的“短板效应”为目标,围绕机器人刚度特性与工艺凸台余量铣削过程颤振抑制所涉及的关键科学问题,进行了相关理论、方法与技术研究。主要研究内容如下:制定了航空结构件工艺凸台机器人去除系统设计方案,进行了系统软件开发与硬件集成。研究了机器人人机交互柔性力控技术,提出了面向工艺凸台余量铣削过程的人机交互柔性力控编程方法。以系统所用的COMAU SMART5NJ 165-3.0型机器人为研究对象,建立了基于过渡角转换策略的机器人D-H运动学模型;构建了面向机器人特征长度求解的非线性多元函数优化模型,实现了雅克比矩阵的规范化。利用Adams仿真分析软件开展了机器人本体结构受力特性分析,揭示了该型号机器人末端力旋量-关节转矩传递规律。阐明了基于最小二乘法的关节刚度辨识基本原理与方法,聚焦于系统扰动对辨识精度影响机制研究。提出了基于关节刚度辨识不确定度的辨识精度定量表征方法,揭示了关节刚度辨识不确定度与观测矩阵条件数的关联关系;针对系统已有的辨识条件,建立了基于灵巧性与观测矩阵条件数评价指标的变位姿模型,提出了关节刚度辨识过程变位姿抗扰动理论,提高了关节刚度辨识精度。开展了基于系统测量误差的变位姿抗扰动数值仿真研究,证明了关节刚度辨识过程变位姿抗扰动理论与方法的有效性。发展了守恒协调转换刚度分析理论,提出了基于多矩阵范数的补充刚度矩阵影响程度评价指标,揭示了机器人末端刚度特性的位姿依赖性。开展了精度驱动的机器人位姿优化理论及建模研究,构建了关节刚度辨识实验加载/测量过程的系统约束条件,建立了考虑补充刚度矩阵影响的抗扰动综合位姿优化模型,得到了抗扰动能力强、补充刚度矩阵影响程度小的机器人位姿。利用系统所用的机器人进行了关节刚度辨识实验研究,基于测量点相对偏差验证了模型的有效性,获得了机器人的关节刚度。针对工艺凸台余量铣削过程中存在的刀具轴线难以时刻保证垂直于装夹平面即与工件侧壁平行这一“失准”问题,研制出了工艺凸台余量机器人铣削导向-切削一体化刀具。开展了基于变进给全齿铣削实验的刀具铣削力系数辨识研究,获得了刀具的6个铣削力常量。分别构建了面向普通刀具无主动接触力/导向-切削一体化刀具有主动接触力铣削工况的系统二自由度动力学模型,阐明了工件坐标系模型-刚度坐标系模型转换关系及质量、刚度矩阵解耦机制,获得了系统特征根,进行了基于特征根分布特性的系统稳定性判定。针对工艺凸台余量铣削过程中多源颤振交互作用所导致的铣削“失稳”问题,提出了基于导向端-工件侧壁主动接触力的模态耦合颤振抑制理论与方法,揭示了主动接触力与工艺凸台余量铣削过程系统稳定性关联关系,阐明了主动接触力对模态耦合颤振的抑制机理。开展了系统特征根分布特性驱动的工艺凸台余量铣削过程系统稳定性研究,形成了导向-切削一体化刀具主动接触力选取准则。进行了工艺凸台余量铣削过程刀具颤振抑制效果验证,证明了该方法的可行性与有效性。