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《南京航空航天大学》 2017年
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工业机器人精密制孔系统刚度特性研究

布音  
【摘要】:工业机器人,作为一种智能、柔性加工载体,近年来备受青睐,在飞机装配领域中具有广泛的应用前景。然而受其串联结构固有特性的影响,其刚度仅是数控机床的1/50~1/20,甚至更低。对于面向高精度加工领域的工业机器人,机器人本体刚度特性会造成加工精度与加工质量缺陷。对于飞机部件这类制造、装配过程复杂的高附加值产品,机器人进行装配制孔加工时的加工质量以及稳定性对于保证产品综合性能与生产效能具有重要意义。本文以工业机器人自动制孔系统为研究对象,重点分析机器人刚度特性对制孔过程的作用机理,为分析机器人制孔过程、寻求提升机器人加工性能的方法奠定理论基础。主要研究内容有:(1)建立机器人制孔系统刚度模型,实现对机器人末端受力变形的预测。通过分析机器人末端受力与关节力矩之间的平衡关系,求解出刚度矩阵在转角空间和笛卡尔空间的映射关系;通过静力加载实验,在制孔工况条件下辨识出机器人关节刚度矩阵,进而求解得到机器人笛卡尔刚度矩阵,实现了对机器人末端受力变形的预测。(2)提出一种以机器人制孔加工任务为导向的定向刚度表征模型,通过分析切削载荷在机器人末端的分布特点,实现对特定载荷方向上机器人刚度性能的定量评估。通过分析机器人本体刚度特性与加工性能需求间的差异性,提出一种机器人定向刚度表征模型,实现对钻削力方向上机器人加工性能的定量评价,并分析机器人刚度在不同位姿状态下的变化趋势,掌握了机器人笛卡尔刚度随工作空间的变化规律。(3)发现制孔质量随机器人加工姿态呈规律性变化,通过分析制孔过程中切削力的变化规律与机器人受力状态,揭示了机器人刚度特性对孔加工过程的影响规律与作用机理。通过分析机器人受钻削力后变形的三向耦合特点,发现了钻削轴向力卸载后机器人末端的回弹现象,揭示了机器人刚度特性对制孔过程的作用机理是导致钻头进给轨迹发生偏差,进而影响孔径精度与加工质量,提出压紧力作用的本质是对机器人刚度的增强作用;发现在不同的位姿状态下,机器人对制孔轴向力的耐受能力不同,进而导致锪窝精度误差,指出优化机器人加工姿态、提升轴向刚度是改善锪窝精度的有效手段。(4)提出压紧状态下的机器人等效刚度模型,通过分析压紧状态下机器人的受力特点,实现了对压紧力作用效果的定量评价,为压紧力的优化选用、机器人加工性能评估、制孔工艺参数优化提供理论依据。通过分析压紧状态下的机器人受力,建立等效刚度模型,实现对刚度增强量的定量计算;定义并求解刚度增强系数,实现对压紧力作用效果的定量评价;分析压力脚与工件间的摩擦力对机器人变形的抑制作用,得到机器人加工姿态与工艺参数之间的配比关系,求解出机器人稳定加工的条件,实现了对压紧力的优化选用、机器人极限加工能力的评估以及制孔工艺参数的合理规划。(5)提出一种融合刚度、运动学性能的机器人加工姿态综合优化方法,通过选用优化后的机器人加工姿态,实现对制孔轴向刚度、运动学性能的提升。将机器人刚度、操作性、转角极限作为衡量机器人综合加工性能的指标,基于机器人功能冗余性,提出一种机器人加工姿态综合优化方法,实现对制孔姿态的优化选用,提升机器人刚度与运动学综合性能。本文研究的结论对于分析机器人钻孔过程,指导机器人在高精度制孔领域的工程应用具有重要意义,通过应用本文提出的相关方法与结论使得机器人制孔精度和稳定性均明显提高,满足飞机装配对孔加工质量的要求。
【学位授予单位】:南京航空航天大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2017
【分类号】:V260.6

【参考文献】
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