工业机器人加工系统刚度特性分析及铣削稳定性研究
发布时间：2022-01-04 14:04
目前,工业机器人凭借其运动空间大、操作灵活等优势,在航天舱体、飞机蒙皮、轮船叶片等大型构件的加工中已经有所应用,不过由于工业机器人存在刚度弱、绝对定位精度低等劣势,易导致加工零件的尺寸精度低、表面质量差等问题时有发生。为了保证工业机器人稳定、可靠地实施加工,同时保证加工质量,本文主要开展以下方面研究。首先,采用微元法对机器人铣削过程进行铣削力建模,并通过机器人正交切削实验基于二次回归模型完成铣削力系数辨识。然后将特定切削参数组合条件下计算得到的铣削力系数代入MATLAB编写的铣削力程序进行计算从而验证了铣削力系数辨识模型的正确性。此外,通过在ABAQUS中建立6061铝合金三维铣削仿真模型,得到了铣削力及零件表面粗糙度。并将仿真结果与实验中采集的数据进行对比分析,验证了仿真模型的有效性,说明通过有限元仿真能够对机器人铣削过程进行预测。然后,综合考虑机器人关节刚度以及主轴-刀具系统刚度建立了机器人加工系统的综合刚度场,并以铣削平面内刚度性能为指标绘制了机器人加工系统末端在零件加工表面刚度性能分布云图。通过对比加工实验中的实测变形值和计算变形值,验证了在考虑主轴-刀具系统刚度后建立的综合刚...
【文章来源】：哈尔滨工业大学黑龙江省 211工程院校 985工程院校
【文章页数】：67 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
机器人加工螺旋桨叶片[1]
?慵?募庸ぞ?纫?笠苍嚼丛礁摺６?传统的数控机床由于结构庞大、无法搬运等缺点，在很多场合已经不再满足加工要求。并且当采用专用大型数控机床进行加工时，还存在加工成本高、周期长等问题。而工业机器人相比于传统数控机床，有着灵活性好、运动空间大、成本较低等优点，因此其在大型工件的制造装配中的应用前景较为广泛，目前已经开始逐渐应用于航天舱体、飞机蒙皮、轮船叶片、风机叶片等大型构件的制造装配中。如图1-1和1-2所示，分别是机器人在螺旋桨叶片和风机叶片加工中的应用[1]。图1-1机器人加工螺旋桨叶片[1]图1-2机器人打磨风机叶片[1]根据2016年发布的《中国机器人产业发展白皮书》，工业机器人在汽车、机械加工、电子电气、橡胶塑料、食品以及物流等行业应用较多，并且根据具体应用环节的不同，主要分为焊接、装配、搬运、装卸、铸造、冲压和涂装等。但是相比于上述应用，机器人在切削加工中的应用还较少，其优势尚未得到较好的发挥。这主要是源于工业机器人的两大缺点：一、机器人自身固有的弱刚度性，通常情况下机器人的刚度只有传统数控机床的1/50，这就导致机器人末端与机床末端受到大小相等的切削力时，机器人末端会产生较机床50倍的变形，从而导致零件的尺寸误差较大；二是由于机器人的结构趋向于轻量化并且其传动系统较为复杂，所以易产生振动从而影响加工精度[2]，Pan等指出，在机器人铣削加工中，振动主要发生在机器人本体上[3]。如图1-3和图1-4所示，分别为机器人执行铣削加工作业和发生
哈尔滨工业大学工学硕士学位论文2颤振后在工件表面留下的振痕，可以看出当机器人加工过程中发生颤振时，零件的表面质量显著降低。图1-3机器人铣削[3]图1-4零件表面振痕[3]由于机器人的弱刚度性和加工颤振现象的存在，其在加工过程中容易导致零件加工的尺寸精度较低，表面质量较差。为了避免出现这种现象，需要对机器人加工系统综合刚度场建模进行研究，了解机器人的综合刚度对机器人加工精度的影响，从而为减小加工变形、提高零件质量提出指导意见。而且当机器人受到连续的非周期性的外部激励时产生的颤振现象对零件的加工有着致命影响，因此需要在机器人铣削加工开始前即对加工过程的稳定性进行预测，从而在选择切削参数时避开易发生颤振区域，保证加工过程得以稳定进行。1.2国内外研究现状由于数控机床发展较早，目前机械加工领域中所使用的设备多以数控机床为主，因此各国学者在机床的刚度建模以及颤振稳定性方面的研究较多，并且已取得了较为丰富的研究成果。而机器人加工虽然起步较晚，但是也得到了诸多学者的关注，所以也有了一定的成果。本节将分别从加工系统刚度研究和加工颤振两大方面对现有的研究成果进行介绍。1.2.1加工系统刚度建模研究现状现代加工技术的发展方向是高速、高精度、高效率，而刚度是评价加工系统性能的重要指标。研究加工系统的刚度特性有利于了解加工系统的刚度分布，提高系统的整体刚度，充分发挥加工系统的加工性能，从而提高零件加工的精度、效率。目前在多体加工系统的刚度建模方面主要采用的方法包括有限元法和解析法。有限元法是将整体结构离散为多个微元，然后通过形函数在每个微元内部为任意节点建立位移的一般表达式，并且对形函数求偏导获取应力、应变间的映射关系，从而得到局部坐标系中的刚?
【参考文献】：
期刊论文
[1]机器人测量-操作-加工一体化技术研究及其应用[J]. 陶波,赵兴炜,李汝鹏,丁汉. 中国机械工程. 2020(01)
[2]卧式双机联合自动钻铆系统综合刚度研究[J]. 蒋君侠,董琛,边晨,董辉跃. 浙江大学学报(工学版). 2019(06)
[3]切削加工机器人的误差补偿研究[J]. 张永贵,黄中秋. 机械设计与制造工程. 2018(05)
[4]新型工业机器人结构设计及其全域刚度预估方法[J]. 孙龙飞,房立金,梁风勇. 机器人. 2018(05)
[5]平面和椭球面相截所得的椭圆的参数方程及其应用（英文）[J]. 黄亦虹,许庆祥. 上海师范大学学报(自然科学版). 2018(01)
[6]立卧转换单主轴铣床支架变形分析[J]. 段铁群,陶振杰,赵兴川. 煤矿机械. 2017(12)
[7]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)
[8]铣削过程颤振稳定性分析的研究进展[J]. 卢晓红,王凤晨,王华,王鑫鑫,司立坤. 振动与冲击. 2016(01)
[9]铣削颤振稳定域叶瓣图确定方法研究[J]. 迟玉伦,李郝林. 振动与冲击. 2014(04)
[10]基于频响函数的主轴-刀柄结合部参数辨识方法[J]. 程强,刘新宇,赵永胜,安国平. 北京工业大学学报. 2013(08)
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]压气机叶片机器人砂带磨抛加工关键技术研究[D]. 徐小虎.华中科技大学 2019
[3]基于工业机器人的飞机交点孔精镗加工关键技术研究[D]. 郭英杰.浙江大学 2016
[4]汽车模具铣削加工系统动力学及工艺规划[D]. 姜彦翠.哈尔滨理工大学 2016
硕士论文
[1]卧式双机联合钻铆系统综合刚度场建模和实验[D]. 董琛.浙江大学 2019
[2]侧铣直纹曲面的铣削力预测及变形误差研究[D]. 李勇.电子科技大学 2017
[3]环形刀铣削加工稳定性建模与分析[D]. 龚艳红.华中科技大学 2016
本文编号：3568473
【文章来源】：哈尔滨工业大学黑龙江省 211工程院校 985工程院校
【文章页数】：67 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
机器人加工螺旋桨叶片[1]
?慵?募庸ぞ?纫?笠苍嚼丛礁摺６?传统的数控机床由于结构庞大、无法搬运等缺点，在很多场合已经不再满足加工要求。并且当采用专用大型数控机床进行加工时，还存在加工成本高、周期长等问题。而工业机器人相比于传统数控机床，有着灵活性好、运动空间大、成本较低等优点，因此其在大型工件的制造装配中的应用前景较为广泛，目前已经开始逐渐应用于航天舱体、飞机蒙皮、轮船叶片、风机叶片等大型构件的制造装配中。如图1-1和1-2所示，分别是机器人在螺旋桨叶片和风机叶片加工中的应用[1]。图1-1机器人加工螺旋桨叶片[1]图1-2机器人打磨风机叶片[1]根据2016年发布的《中国机器人产业发展白皮书》，工业机器人在汽车、机械加工、电子电气、橡胶塑料、食品以及物流等行业应用较多，并且根据具体应用环节的不同，主要分为焊接、装配、搬运、装卸、铸造、冲压和涂装等。但是相比于上述应用，机器人在切削加工中的应用还较少，其优势尚未得到较好的发挥。这主要是源于工业机器人的两大缺点：一、机器人自身固有的弱刚度性，通常情况下机器人的刚度只有传统数控机床的1/50，这就导致机器人末端与机床末端受到大小相等的切削力时，机器人末端会产生较机床50倍的变形，从而导致零件的尺寸误差较大；二是由于机器人的结构趋向于轻量化并且其传动系统较为复杂，所以易产生振动从而影响加工精度[2]，Pan等指出，在机器人铣削加工中，振动主要发生在机器人本体上[3]。如图1-3和图1-4所示，分别为机器人执行铣削加工作业和发生
哈尔滨工业大学工学硕士学位论文2颤振后在工件表面留下的振痕，可以看出当机器人加工过程中发生颤振时，零件的表面质量显著降低。图1-3机器人铣削[3]图1-4零件表面振痕[3]由于机器人的弱刚度性和加工颤振现象的存在，其在加工过程中容易导致零件加工的尺寸精度较低，表面质量较差。为了避免出现这种现象，需要对机器人加工系统综合刚度场建模进行研究，了解机器人的综合刚度对机器人加工精度的影响，从而为减小加工变形、提高零件质量提出指导意见。而且当机器人受到连续的非周期性的外部激励时产生的颤振现象对零件的加工有着致命影响，因此需要在机器人铣削加工开始前即对加工过程的稳定性进行预测，从而在选择切削参数时避开易发生颤振区域，保证加工过程得以稳定进行。1.2国内外研究现状由于数控机床发展较早，目前机械加工领域中所使用的设备多以数控机床为主，因此各国学者在机床的刚度建模以及颤振稳定性方面的研究较多，并且已取得了较为丰富的研究成果。而机器人加工虽然起步较晚，但是也得到了诸多学者的关注，所以也有了一定的成果。本节将分别从加工系统刚度研究和加工颤振两大方面对现有的研究成果进行介绍。1.2.1加工系统刚度建模研究现状现代加工技术的发展方向是高速、高精度、高效率，而刚度是评价加工系统性能的重要指标。研究加工系统的刚度特性有利于了解加工系统的刚度分布，提高系统的整体刚度，充分发挥加工系统的加工性能，从而提高零件加工的精度、效率。目前在多体加工系统的刚度建模方面主要采用的方法包括有限元法和解析法。有限元法是将整体结构离散为多个微元，然后通过形函数在每个微元内部为任意节点建立位移的一般表达式，并且对形函数求偏导获取应力、应变间的映射关系，从而得到局部坐标系中的刚?
【参考文献】：
期刊论文
[1]机器人测量-操作-加工一体化技术研究及其应用[J]. 陶波,赵兴炜,李汝鹏,丁汉. 中国机械工程. 2020(01)
[2]卧式双机联合自动钻铆系统综合刚度研究[J]. 蒋君侠,董琛,边晨,董辉跃. 浙江大学学报(工学版). 2019(06)
[3]切削加工机器人的误差补偿研究[J]. 张永贵,黄中秋. 机械设计与制造工程. 2018(05)
[4]新型工业机器人结构设计及其全域刚度预估方法[J]. 孙龙飞,房立金,梁风勇. 机器人. 2018(05)
[5]平面和椭球面相截所得的椭圆的参数方程及其应用（英文）[J]. 黄亦虹,许庆祥. 上海师范大学学报(自然科学版). 2018(01)
[6]立卧转换单主轴铣床支架变形分析[J]. 段铁群,陶振杰,赵兴川. 煤矿机械. 2017(12)
[7]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)
[8]铣削过程颤振稳定性分析的研究进展[J]. 卢晓红,王凤晨,王华,王鑫鑫,司立坤. 振动与冲击. 2016(01)
[9]铣削颤振稳定域叶瓣图确定方法研究[J]. 迟玉伦,李郝林. 振动与冲击. 2014(04)
[10]基于频响函数的主轴-刀柄结合部参数辨识方法[J]. 程强,刘新宇,赵永胜,安国平. 北京工业大学学报. 2013(08)
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]压气机叶片机器人砂带磨抛加工关键技术研究[D]. 徐小虎.华中科技大学 2019
[3]基于工业机器人的飞机交点孔精镗加工关键技术研究[D]. 郭英杰.浙江大学 2016
[4]汽车模具铣削加工系统动力学及工艺规划[D]. 姜彦翠.哈尔滨理工大学 2016
硕士论文
[1]卧式双机联合钻铆系统综合刚度场建模和实验[D]. 董琛.浙江大学 2019
[2]侧铣直纹曲面的铣削力预测及变形误差研究[D]. 李勇.电子科技大学 2017
[3]环形刀铣削加工稳定性建模与分析[D]. 龚艳红.华中科技大学 2016
本文编号：3568473
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