机器人旋转超声钻削CFRP/铝合金叠层材料的实验研究
发布时间：2021-01-01 14:00
碳纤维复合材料与铝合金的复合航空叠层材料目前被广泛应用在飞机机翼、机身蒙皮等飞机重要组件上。然而该材料较大的强度与刚度也预示着其难加工性,钻孔过程中钻削力较大。而当前航空制造业领域最常用的制孔方式为机器人自动化制孔技术,由于其机械手臂结构刚度较低,钻削力过大将会导致机器人钻孔姿态变形并产生加工震颤,严重影响制孔质量与钻孔精度。为此本文在机器人制孔的基础上引入旋转超声钻削技术,选取不同的刀具类型、超声参数与钻削参数,开展基础实验研究、钻削结果建模研究和加工参数优化研究。此外,本文中以最大轴向力作为钻削力的采集与判断标准。首先,采用三尖钻与麻花钻两种不同的钻削刀具开展机器人航空叠层材料的钻削实验,观察和分析不同刀具进行钻削时钻削力以及加工质量的变化。通过对不同刀具切削刃结构与几何参数的分析,阐明了不同刀具钻削力变化的原因。并分析归纳了超声振动参数与钻削工艺参数对航空叠层材料钻削力的影响机理和规律。采用偏最小二乘算法,构建了机器人旋转超声钻削力的预测模型,平均误差为8.02%,验证了模型的合理性和准确性。其次,开展机器人钻削和机器人旋转超声钻削质量与钻削精度的对比实验研究。利用激光显微镜,测...
【文章来源】：南京理工大学江苏省 211工程院校
【文章页数】：62 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
KUKA机器人自动制孔系统
。1.3.1机器人自动制孔系统结构特点和加工原理2001年，美国Electroimpact公司和英国空客公司联合设计了一套机器人自动制孔系统ONCE（OneSidedCellEndEffector），该系统主要用于波音飞机的机翼后缘襟翼的制孔和检测，在复合材料与铝、钛合金等叠层上制孔时，制孔直径范围可达3.73-9.525mm，定位精度最高为5.1mm，沉孔深度精度可达0.0635mm。波音澳大利亚HDH公司基于KUKA工业机器人构建了机器人自动制孔系统，该系统定位精度为0.508.mm，专门用于波音737副翼的钻孔与装配连接，如图1.2所示。图1.2KUKA机器人自动制孔系统图1.3机器人终端执行器压角示意图机器人制孔系统主要由工业机器人、制孔终端执行器与机器人运动轨道三部分组成。在制孔过程中，电机沿轨道运行，将机器人移动到预定的钻削合适位置。然后工业机器人手臂通过各关节处的协调运动，将制孔终端执行器定位到准确的制孔位置。接下来的钻孔操作由制孔终端执行器完成，包括刀具旋转运动、刀具进给运动及压紧、吸屑等辅助操作。一般制孔终端执行器前端配备压脚结构，作用是压紧工件以消除叠层间隙，并达到增加机器人手臂的刚性的作用，如图1.3所示。压脚的压紧和松开动
硕士学位论文机器人旋转超声钻削CFRP/铝合金叠层材料的实验研究132机器人旋转超声钻削CFRP/铝合金叠层材料的钻削力实验研究2.1引言在机器人钻削航空叠层材料时，叠层材料较大的刚性与强度导致其加工难度较大，在制孔加工时会出现钻削力过大问题。而机器人加工平台刚度较低，钻削力过大会严重影响机器人原本的钻削姿态，使其加工角度变形并产生加工震颤，影响制孔质量与制孔精度。而旋转超声加工技术由于其特有的断续切削加工机理，在减小钻削力方面有着独特的优势，因此本章尝试引入机器人旋转超声钻削技术，开展机器人钻削与机器人旋转超声钻削航空叠层材料的钻削力对比实验，研究刀具类型、超声振动参数与工艺参数对航空叠层材料钻削力的影响，分析参数变化对钻削力的影响规律。并利用偏最小二乘算法构建机器人旋转超声钻削航空叠层材料的钻削力预测模型。2.2旋转超声钻削运动学分析旋转超声加工技术是一种复合加工技术，其原理为在传统的钻削过程中，给刀具施加超声频率（20KHz以上）的轴向振动，使得原有的连续式切削过程改为高频断续切削。图2.1叠层材料旋转超声钻削示意图图2.1为旋转超声钻削运动示意图，根据旋转超声钻削的特点可得加工过程中刀尖点的运动轨迹方程为：0()sin(2)zfStSAftvt(2.1)0()2cos(2)zfvtvAfftv(2.2)220()4sin(2)zataAfft(2.3)式中：A为超声振幅(μm)，f为超声频率(Hz)，vf为进给速度(mm/s)，t为加工时间(s)。
【参考文献】：
期刊论文
[1]超声振动钻削装置的设计与加工分析[J]. 陈硕. 机械制造. 2017(12)
[2]微孔超声振动钻削装置设计[J]. 张建,张敏良,岳耀波,王辉. 轻工机械. 2017(06)
[3]超声振动钻削复合材料的表面质量研究[J]. 张冬梅. 焦作大学学报. 2017(02)
[4]CFRP材料振动制孔研究进展[J]. 焦锋,戚嘉亮,王晓博,王晓亮. 宇航材料工艺. 2017(03)
[5]碳纤维复合材料/铝合金叠层制孔工艺研究[J]. 王共冬,周丽,种强,李南,熊需海. 科学技术与工程. 2017(06)
[6]碳纤维复合材料-钛合金叠层板钻孔工艺研究[J]. 章伟,黄威武,屈植华,王社权. 硬质合金. 2017(01)
[7]双顶角钻头钻削CFRP复合材料的刀具磨损机制[J]. 钱宝伟,刘巍,贾振元,付饶,白玉,何春伶. 复合材料学报. 2017(04)
[8]New design of a compact aero-robotic drilling end effector: An experimental analysis[J]. Shi Zhenyun,Yuan Peijiang,Wang Qishen,Chen Dongdong,Wang Tianmiao. Chinese Journal of Aeronautics. 2016(04)
[9]碳纤维增强复合材料铣削和钻孔技术研究进展[J]. 单晨伟,吕晓波. 航空制造技术. 2016(15)
[10]加工参数对CFRP/Al叠层材料制孔质量的影响[J]. 李春奇,康晓峰,杨浩骏,陈燕,傅玉灿. 机械制造与自动化. 2016(03)
博士论文
[1]CFRP/金属叠层结构钻削力建模与分层控制方法研究[D]. 齐振超.西北工业大学 2015
[2]高性能金刚石涂层制备及其在CFRP钻削中的应用研究[D]. 张建国.上海交通大学 2014
[3]粒子群算法的基本理论及其改进研究[D]. 刘建华.中南大学 2009
硕士论文
[1]CFRP钻削加工排屑仿真及实验研究[D]. 金超.哈尔滨理工大学 2017
[2]CFRP/2024Al叠层材料制孔工艺技术研究[D]. 李南.沈阳航空航天大学 2017
[3]硬脆材料超声加工装置及实验研究[D]. 于洋洪.浙江大学 2016
[4]粒子群优化算法的改进及应用[D]. 魏晋军.太原理工大学 2015
[5]基于复杂螺旋面钻尖的碳纤维复合材料（CFRP）钻削实验研究[D]. 杨秀金.东北大学 2014
[6]微细孔超声振动加工系统关键技术及试验研究[D]. 杜少婷.长春理工大学 2014
[7]压脚对机器人制孔影响的试验研究与分析[D]. 马超虹.浙江大学 2014
[8]钻铆机械手钻孔过程的刚度分析[D]. 朱健.南京航空航天大学 2013
[9]基于产品数模的机器人柔性装配系统任务规划方法与实现[D]. 肖爽.南京航空航天大学 2013
[10]面向飞机自动化装配的机器人精密制孔工艺参数优化[D]. 王继虎.南京航空航天大学 2012
本文编号：2951420
【文章来源】：南京理工大学江苏省 211工程院校
【文章页数】：62 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
KUKA机器人自动制孔系统
。1.3.1机器人自动制孔系统结构特点和加工原理2001年，美国Electroimpact公司和英国空客公司联合设计了一套机器人自动制孔系统ONCE（OneSidedCellEndEffector），该系统主要用于波音飞机的机翼后缘襟翼的制孔和检测，在复合材料与铝、钛合金等叠层上制孔时，制孔直径范围可达3.73-9.525mm，定位精度最高为5.1mm，沉孔深度精度可达0.0635mm。波音澳大利亚HDH公司基于KUKA工业机器人构建了机器人自动制孔系统，该系统定位精度为0.508.mm，专门用于波音737副翼的钻孔与装配连接，如图1.2所示。图1.2KUKA机器人自动制孔系统图1.3机器人终端执行器压角示意图机器人制孔系统主要由工业机器人、制孔终端执行器与机器人运动轨道三部分组成。在制孔过程中，电机沿轨道运行，将机器人移动到预定的钻削合适位置。然后工业机器人手臂通过各关节处的协调运动，将制孔终端执行器定位到准确的制孔位置。接下来的钻孔操作由制孔终端执行器完成，包括刀具旋转运动、刀具进给运动及压紧、吸屑等辅助操作。一般制孔终端执行器前端配备压脚结构，作用是压紧工件以消除叠层间隙，并达到增加机器人手臂的刚性的作用，如图1.3所示。压脚的压紧和松开动
硕士学位论文机器人旋转超声钻削CFRP/铝合金叠层材料的实验研究132机器人旋转超声钻削CFRP/铝合金叠层材料的钻削力实验研究2.1引言在机器人钻削航空叠层材料时，叠层材料较大的刚性与强度导致其加工难度较大，在制孔加工时会出现钻削力过大问题。而机器人加工平台刚度较低，钻削力过大会严重影响机器人原本的钻削姿态，使其加工角度变形并产生加工震颤，影响制孔质量与制孔精度。而旋转超声加工技术由于其特有的断续切削加工机理，在减小钻削力方面有着独特的优势，因此本章尝试引入机器人旋转超声钻削技术，开展机器人钻削与机器人旋转超声钻削航空叠层材料的钻削力对比实验，研究刀具类型、超声振动参数与工艺参数对航空叠层材料钻削力的影响，分析参数变化对钻削力的影响规律。并利用偏最小二乘算法构建机器人旋转超声钻削航空叠层材料的钻削力预测模型。2.2旋转超声钻削运动学分析旋转超声加工技术是一种复合加工技术，其原理为在传统的钻削过程中，给刀具施加超声频率（20KHz以上）的轴向振动，使得原有的连续式切削过程改为高频断续切削。图2.1叠层材料旋转超声钻削示意图图2.1为旋转超声钻削运动示意图，根据旋转超声钻削的特点可得加工过程中刀尖点的运动轨迹方程为：0()sin(2)zfStSAftvt(2.1)0()2cos(2)zfvtvAfftv(2.2)220()4sin(2)zataAfft(2.3)式中：A为超声振幅(μm)，f为超声频率(Hz)，vf为进给速度(mm/s)，t为加工时间(s)。
【参考文献】：
期刊论文
[1]超声振动钻削装置的设计与加工分析[J]. 陈硕. 机械制造. 2017(12)
[2]微孔超声振动钻削装置设计[J]. 张建,张敏良,岳耀波,王辉. 轻工机械. 2017(06)
[3]超声振动钻削复合材料的表面质量研究[J]. 张冬梅. 焦作大学学报. 2017(02)
[4]CFRP材料振动制孔研究进展[J]. 焦锋,戚嘉亮,王晓博,王晓亮. 宇航材料工艺. 2017(03)
[5]碳纤维复合材料/铝合金叠层制孔工艺研究[J]. 王共冬,周丽,种强,李南,熊需海. 科学技术与工程. 2017(06)
[6]碳纤维复合材料-钛合金叠层板钻孔工艺研究[J]. 章伟,黄威武,屈植华,王社权. 硬质合金. 2017(01)
[7]双顶角钻头钻削CFRP复合材料的刀具磨损机制[J]. 钱宝伟,刘巍,贾振元,付饶,白玉,何春伶. 复合材料学报. 2017(04)
[8]New design of a compact aero-robotic drilling end effector: An experimental analysis[J]. Shi Zhenyun,Yuan Peijiang,Wang Qishen,Chen Dongdong,Wang Tianmiao. Chinese Journal of Aeronautics. 2016(04)
[9]碳纤维增强复合材料铣削和钻孔技术研究进展[J]. 单晨伟,吕晓波. 航空制造技术. 2016(15)
[10]加工参数对CFRP/Al叠层材料制孔质量的影响[J]. 李春奇,康晓峰,杨浩骏,陈燕,傅玉灿. 机械制造与自动化. 2016(03)
博士论文
[1]CFRP/金属叠层结构钻削力建模与分层控制方法研究[D]. 齐振超.西北工业大学 2015
[2]高性能金刚石涂层制备及其在CFRP钻削中的应用研究[D]. 张建国.上海交通大学 2014
[3]粒子群算法的基本理论及其改进研究[D]. 刘建华.中南大学 2009
硕士论文
[1]CFRP钻削加工排屑仿真及实验研究[D]. 金超.哈尔滨理工大学 2017
[2]CFRP/2024Al叠层材料制孔工艺技术研究[D]. 李南.沈阳航空航天大学 2017
[3]硬脆材料超声加工装置及实验研究[D]. 于洋洪.浙江大学 2016
[4]粒子群优化算法的改进及应用[D]. 魏晋军.太原理工大学 2015
[5]基于复杂螺旋面钻尖的碳纤维复合材料（CFRP）钻削实验研究[D]. 杨秀金.东北大学 2014
[6]微细孔超声振动加工系统关键技术及试验研究[D]. 杜少婷.长春理工大学 2014
[7]压脚对机器人制孔影响的试验研究与分析[D]. 马超虹.浙江大学 2014
[8]钻铆机械手钻孔过程的刚度分析[D]. 朱健.南京航空航天大学 2013
[9]基于产品数模的机器人柔性装配系统任务规划方法与实现[D]. 肖爽.南京航空航天大学 2013
[10]面向飞机自动化装配的机器人精密制孔工艺参数优化[D]. 王继虎.南京航空航天大学 2012
本文编号：2951420
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