工业机器人不同姿态下的刚度与铣削颤振研究
发布时间：2021-10-10 20:33
工业机器人具有自动化程度高、安全性能高且能够适应恶劣作业条件和小批量定制化生产及价格低廉等优点,成为我国智能制造产业重点发展的领域之一。但由于工业机器人的多连杆串联结构导致其刚度较弱,在铣削加工中容易引起颤振,严重影响加工效率和稳定性。本文在国内外学者的研究基础上,结合铣削力和工业机器人动力学模型,采用MATLAB/Simulink对机器人铣削加工过程进行了动力学仿真,分析了不同姿态下工业机器人的振动特性,绘制了随姿态变化的铣削加工稳定性预测图,并在此基础上提出了工业机器人铣削加工姿态优化策略,提高加工稳定性。首先,本文采用修正D-H法建立了KUKA KR60-3工业机器人的运动学模型,推导了雅克比矩阵的解析式,介绍了正逆运动学求解方法;建立了瞬时铣削力模型,采用正交实验得到了铣削力系数的预测模型并进行了验证;推导了工业机器人的传统静刚度模型,通过加载实验得到了工业机器人末端外载荷与变形的关系,利用最小二乘法辨识了关节刚度值。然后,采用Lagrange法推导了工业机器人运动微分方程,考虑瞬时铣削力和关节阻尼的影响建立了工业机器人铣削动力学模型,基于MATLAB/Simulink平台编写...
【文章来源】：吉林大学吉林省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：93 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
工业机器人在加工制造中的应用
吉林大学硕士学位论文2影响机械加工最为重要的缺点是刚度低（通常为105~106N/m，数控机床一般约为108N/m）[1][2]。在如铣削、镗削和钻削等加工过程中，工业机器人比传统机床更容易产生振动，从而降低加工系统的稳定性[3]，严重影响工业机器人加工质量和加工效率，甚至会影响机器人、电主轴和刀具的使用寿命（如图1.3所示）。有研究表明，工业机器人在铣削硬质铝合金过程中，机器人在某个位姿，当刀具的轴向切深超过2mm时，刀具就会发生非常明显的铣削颤振，严重损坏工件表面[4]。图1.2工业机器人与数控机床的特点图1.3加工颤振的危害一般的机械振动主要分为两种类型：受迫振动和自激振动[5]。在机器人加工过程中，影响加工不稳定性的振动形式主要为自激振动，也就是颤振，其主要分为两种类型：再生型颤振和模态耦合型颤振[6]（如图1.4所示）。再生型颤振是一种典型受到外部周期变化的切削力作用而产生振动的一种自激振动，刀具在前一次加工路径上留下的波纹面上加工，受到碰撞力的作用吸收能量，从而产生振动；模态耦合型颤振[7]是指由于工业机器人末端刀具在两个方向上的结构刚度相近，即在进给和切削两个方向上的固有振型相接近（耦合），而引起的颤振，刀尖在颤振时的轨迹是一条封闭的空间曲线[8]。图1.4再生型颤振和模态耦合型颤振目前，工业机器人加工颤振问题是学术界和企业界都比较关注的热点问题。由
吉林大学硕士学位论文2影响机械加工最为重要的缺点是刚度低（通常为105~106N/m，数控机床一般约为108N/m）[1][2]。在如铣削、镗削和钻削等加工过程中，工业机器人比传统机床更容易产生振动，从而降低加工系统的稳定性[3]，严重影响工业机器人加工质量和加工效率，甚至会影响机器人、电主轴和刀具的使用寿命（如图1.3所示）。有研究表明，工业机器人在铣削硬质铝合金过程中，机器人在某个位姿，当刀具的轴向切深超过2mm时，刀具就会发生非常明显的铣削颤振，严重损坏工件表面[4]。图1.2工业机器人与数控机床的特点图1.3加工颤振的危害一般的机械振动主要分为两种类型：受迫振动和自激振动[5]。在机器人加工过程中，影响加工不稳定性的振动形式主要为自激振动，也就是颤振，其主要分为两种类型：再生型颤振和模态耦合型颤振[6]（如图1.4所示）。再生型颤振是一种典型受到外部周期变化的切削力作用而产生振动的一种自激振动，刀具在前一次加工路径上留下的波纹面上加工，受到碰撞力的作用吸收能量，从而产生振动；模态耦合型颤振[7]是指由于工业机器人末端刀具在两个方向上的结构刚度相近，即在进给和切削两个方向上的固有振型相接近（耦合），而引起的颤振，刀尖在颤振时的轨迹是一条封闭的空间曲线[8]。图1.4再生型颤振和模态耦合型颤振目前，工业机器人加工颤振问题是学术界和企业界都比较关注的热点问题。由
【参考文献】：
期刊论文
[1]机器人铣削加工稳定性影响因素[J]. 刘宇,何凤霞. 东北大学学报(自然科学版). 2019(07)
[2]基于概率方法的机器人铣削加工颤振稳定性研究[J]. 刘宇,何凤霞. 东北大学学报(自然科学版). 2019(05)
[3]铣削加工过程动力学建模、仿真研究现状与展望[J]. 李忠群,石晓芳,党剑涛,李文. 航空制造技术. 2018(16)
[4]提高机器人结构刚度及关节精度的方法[J]. 房立金,孙龙飞,许继谦. 航空制造技术. 2018(04)
[5]机器人加工系统及其切削颤振问题研究进展[J]. 王战玺,张晓宇,李飞飞,张顺琦,秦现生. 振动与冲击. 2017(14)
[6]机器人镗孔加工系统稳定性分析[J]. 方强,李超,费少华,孟涛. 航空学报. 2016(02)
[7]机器人加工系统刚度性能优化研究[J]. 曲巍崴,侯鹏辉,杨根军,黄官平,尹富成,石鑫. 航空学报. 2013(12)
[8]切削颤振研究的关键技术与进展综述[J]. 唐英,张大勇. 工具技术. 2011(08)
[9]基于矢量积法的六自由度工业机器人雅可比矩阵求解及奇异位形的分析[J]. 张鹏程,张铁. 机械设计与制造. 2011(08)
[10]6R串联机器人雅可比矩阵求解和速度仿真[J]. 焦恩璋,陈美宏. 机床与液压. 2010(09)
博士论文
[1]机器人铣削加工轨迹规划与颤振稳定性研究[D]. 倪鹤鹏.山东大学 2019
[2]铣削动力学—稳定性分析方法与应用[D]. 丁烨.上海交通大学 2011
[3]机器人动态特性及动力学参数辨识研究[D]. 陈恩伟.合肥工业大学 2006
硕士论文
[1]立式加工中心切削过程中颤振对加工精度的影响[D]. 王田.沈阳工业大学 2019
[2]基于铣削力建模的加工参数优化方法研究[D]. 魏俊立.华中科技大学 2019
[3]基于残差卷积网和支持向量机的机器人铣削颤振辨识研究[D]. 张明锴.华中科技大学 2019
[4]机械臂铣削大理石的颤振稳定性研究[D]. 黄吉祥.华侨大学 2019
[5]铣削加工颤振稳定性分析理论的数学方法研究[D]. 杨丹.黑龙江科技大学 2018
[6]不同姿态下的铣削稳定性及铣削参数优化研究[D]. 马忠鹤.电子科技大学 2018
[7]机器人铣削加工颤振稳定性分析与实验研究[D]. 李彪.上海大学 2017
[8]制孔机器人在钻削力作用下变形与振动的研究[D]. 沈孝栋.南京航空航天大学 2015
[9]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
[10]基于切削图形的动态铣削力建模[D]. 杨中宝.天津理工大学 2011
本文编号：3429111
【文章来源】：吉林大学吉林省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：93 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
工业机器人在加工制造中的应用
吉林大学硕士学位论文2影响机械加工最为重要的缺点是刚度低（通常为105~106N/m，数控机床一般约为108N/m）[1][2]。在如铣削、镗削和钻削等加工过程中，工业机器人比传统机床更容易产生振动，从而降低加工系统的稳定性[3]，严重影响工业机器人加工质量和加工效率，甚至会影响机器人、电主轴和刀具的使用寿命（如图1.3所示）。有研究表明，工业机器人在铣削硬质铝合金过程中，机器人在某个位姿，当刀具的轴向切深超过2mm时，刀具就会发生非常明显的铣削颤振，严重损坏工件表面[4]。图1.2工业机器人与数控机床的特点图1.3加工颤振的危害一般的机械振动主要分为两种类型：受迫振动和自激振动[5]。在机器人加工过程中，影响加工不稳定性的振动形式主要为自激振动，也就是颤振，其主要分为两种类型：再生型颤振和模态耦合型颤振[6]（如图1.4所示）。再生型颤振是一种典型受到外部周期变化的切削力作用而产生振动的一种自激振动，刀具在前一次加工路径上留下的波纹面上加工，受到碰撞力的作用吸收能量，从而产生振动；模态耦合型颤振[7]是指由于工业机器人末端刀具在两个方向上的结构刚度相近，即在进给和切削两个方向上的固有振型相接近（耦合），而引起的颤振，刀尖在颤振时的轨迹是一条封闭的空间曲线[8]。图1.4再生型颤振和模态耦合型颤振目前，工业机器人加工颤振问题是学术界和企业界都比较关注的热点问题。由
吉林大学硕士学位论文2影响机械加工最为重要的缺点是刚度低（通常为105~106N/m，数控机床一般约为108N/m）[1][2]。在如铣削、镗削和钻削等加工过程中，工业机器人比传统机床更容易产生振动，从而降低加工系统的稳定性[3]，严重影响工业机器人加工质量和加工效率，甚至会影响机器人、电主轴和刀具的使用寿命（如图1.3所示）。有研究表明，工业机器人在铣削硬质铝合金过程中，机器人在某个位姿，当刀具的轴向切深超过2mm时，刀具就会发生非常明显的铣削颤振，严重损坏工件表面[4]。图1.2工业机器人与数控机床的特点图1.3加工颤振的危害一般的机械振动主要分为两种类型：受迫振动和自激振动[5]。在机器人加工过程中，影响加工不稳定性的振动形式主要为自激振动，也就是颤振，其主要分为两种类型：再生型颤振和模态耦合型颤振[6]（如图1.4所示）。再生型颤振是一种典型受到外部周期变化的切削力作用而产生振动的一种自激振动，刀具在前一次加工路径上留下的波纹面上加工，受到碰撞力的作用吸收能量，从而产生振动；模态耦合型颤振[7]是指由于工业机器人末端刀具在两个方向上的结构刚度相近，即在进给和切削两个方向上的固有振型相接近（耦合），而引起的颤振，刀尖在颤振时的轨迹是一条封闭的空间曲线[8]。图1.4再生型颤振和模态耦合型颤振目前，工业机器人加工颤振问题是学术界和企业界都比较关注的热点问题。由
【参考文献】：
期刊论文
[1]机器人铣削加工稳定性影响因素[J]. 刘宇,何凤霞. 东北大学学报(自然科学版). 2019(07)
[2]基于概率方法的机器人铣削加工颤振稳定性研究[J]. 刘宇,何凤霞. 东北大学学报(自然科学版). 2019(05)
[3]铣削加工过程动力学建模、仿真研究现状与展望[J]. 李忠群,石晓芳,党剑涛,李文. 航空制造技术. 2018(16)
[4]提高机器人结构刚度及关节精度的方法[J]. 房立金,孙龙飞,许继谦. 航空制造技术. 2018(04)
[5]机器人加工系统及其切削颤振问题研究进展[J]. 王战玺,张晓宇,李飞飞,张顺琦,秦现生. 振动与冲击. 2017(14)
[6]机器人镗孔加工系统稳定性分析[J]. 方强,李超,费少华,孟涛. 航空学报. 2016(02)
[7]机器人加工系统刚度性能优化研究[J]. 曲巍崴,侯鹏辉,杨根军,黄官平,尹富成,石鑫. 航空学报. 2013(12)
[8]切削颤振研究的关键技术与进展综述[J]. 唐英,张大勇. 工具技术. 2011(08)
[9]基于矢量积法的六自由度工业机器人雅可比矩阵求解及奇异位形的分析[J]. 张鹏程,张铁. 机械设计与制造. 2011(08)
[10]6R串联机器人雅可比矩阵求解和速度仿真[J]. 焦恩璋,陈美宏. 机床与液压. 2010(09)
博士论文
[1]机器人铣削加工轨迹规划与颤振稳定性研究[D]. 倪鹤鹏.山东大学 2019
[2]铣削动力学—稳定性分析方法与应用[D]. 丁烨.上海交通大学 2011
[3]机器人动态特性及动力学参数辨识研究[D]. 陈恩伟.合肥工业大学 2006
硕士论文
[1]立式加工中心切削过程中颤振对加工精度的影响[D]. 王田.沈阳工业大学 2019
[2]基于铣削力建模的加工参数优化方法研究[D]. 魏俊立.华中科技大学 2019
[3]基于残差卷积网和支持向量机的机器人铣削颤振辨识研究[D]. 张明锴.华中科技大学 2019
[4]机械臂铣削大理石的颤振稳定性研究[D]. 黄吉祥.华侨大学 2019
[5]铣削加工颤振稳定性分析理论的数学方法研究[D]. 杨丹.黑龙江科技大学 2018
[6]不同姿态下的铣削稳定性及铣削参数优化研究[D]. 马忠鹤.电子科技大学 2018
[7]机器人铣削加工颤振稳定性分析与实验研究[D]. 李彪.上海大学 2017
[8]制孔机器人在钻削力作用下变形与振动的研究[D]. 沈孝栋.南京航空航天大学 2015
[9]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
[10]基于切削图形的动态铣削力建模[D]. 杨中宝.天津理工大学 2011
本文编号：3429111
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