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压气机叶片机器人砂带磨抛加工关键技术研究

徐小虎  
【摘要】:压气机叶片是航空发动机和燃气轮机中直接参与能量转换的关键零部件,通常具有型面复杂、材料加工难、结构刚性弱等特点,属于典型的难加工零件,其加工表面质量和几何精度直接影响整机气动性能与寿命。叶片经过精铸、精锻、冷轧或机加工后,均需对其表面进行磨抛加工,以此来保证几何精度和表面光洁度。目前手工磨抛过程中人工定位随机性大、叶片边缘去除余量和磨抛接触力难以控制;多轴数控机床磨抛装备加工模式固定、通用性差,难以形成有效的“测量-加工”一体化。机器人砂带磨抛加工为叶片高品质制造提供了新思路。因此,本课题围绕压气机叶片机器人砂带磨抛加工中的关键技术展开了系统性研究,具体包括:1)针对压气机叶片磨抛加工现状,搭建机器人“加工-测量”一体化平台,硬件系统包含:机器人加工硬件、标定硬件、测量硬件和力控制硬件;软件系统包含:机器人控制软件、离线编程软件、力控制软件、测量软件和集成控制软件。2)在机器人加工测量空间环境中,针对传统工具和工件坐标系标定方法存在的缺陷,提出一种复杂曲面零件标定方法,精确定位机器人加工空间中设备位姿。对传统手眼标定算法进行优化,建立一种基于TCP的手眼标定模型来精确获取机器人与扫描仪的空间位姿关系,进而更新工件坐标系,消除工件装夹误差,提高加工精度。3)在机器人加工过程中,针对机器人末端的六维力传感器和磨抛机上的一维力传感器分别提出一种基于PI/PD的力位混合主动力控制算法和基于PID的被动力控制算法,进而通过Kalman滤波信息融合技术,将主被动力控制算法进行融合,提高机器人加工过程中的稳定性与可靠性,提升工件表面加工质量。4)通过对影响机器人砂带磨抛加工质量的主要可控因素进行正交试验分析,来从微观层面上建立磨削力和比磨削能模型,根据实际加工过程中出现的切入切出现象来建立材料去除率模型,进而优化机器人加工策略和过程参数,提高能量利用率,保证工件加工型面精度和轮廓精度。5)针对压气机叶片的型面、进出气边、榫头R转角部位采用不同的机器人加工方式和全局变压力、局部恒压力的控制策略,并且根据加工中的弹性变形和加工后的振纹对机器人路径规划方法进行优化,在关键技术研究基础上实现压气机叶片机器人砂带磨抛的自动化加工。通过上述研究来弥补传统人工磨抛和数控机床砂带磨抛的不足,并期望实现复杂曲面叶片的机器人自动化磨抛作业。在提高工件加工表面质量与一致性的基础上,希望进一步提升叶片加工效率和覆盖率,从而应用于叶片企业批量生产。


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