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大型复杂构件机器人制孔技术研究进展

航空学报 2022年第5期43卷 23-40页

作者：董松郑侃孟丹廖文和孙连军南京理工大学机械工程学院南京210094

航空装备大型复杂构件制造和装配中需要钻削数十万个机械连接孔,因而制孔效率和加工质量是保证飞行器使用性能和可靠性的关键。机器人制孔具有高柔性、高质量一致性以及高法向精度等优势,近年来采用机器人对飞机部件进行制孔在航空制造... 详细信息

航空装备大型复杂构件制造和装配中需要钻削数十万个机械连接孔,因而制孔效率和加工质量是保证飞行器使用性能和可靠性的关键。机器人制孔具有高柔性、高质量一致性以及高法向精度等优势,近年来采用机器人对飞机部件进行制孔在航空制造企业备受青睐。然而由于工业机器人的弱刚性以及叠层结构材料的难加工性,机器人钻削系统容易产生加工不稳定现象,严重制约了钻削质量和效率的进一步提高。目前,国内外学者在机器人制孔装备、制孔系统精度控制与机器人制孔稳定性等方面开展了理论与实验研究,并取得了诸多成果,但机器人钻削稳定性和加工质量控制研究的深度和广度仍存在较大的提升空间。为此,从机器人制孔末端执行器设计技术、机器人制孔定位精度控制技术、机器人制孔工艺过程控制技术以及机器人制孔装备研制四个方面对国内外文献进行总结和凝练,旨在为大型复杂构件机器人制孔技术的进一步研究提供指导。

关键词：机器人制孔大型复杂构件末端执行器定位精度工艺过程控制

大型复杂构件加工机器人的本体设计与工作空间分析

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机械传动 2023年第10期47卷 69-78页

作者：覃哲宋小辉涂文斌桂林航天工业学院机电工程学院广西桂林541004

大型复杂构件是航天、轨道交通、能源、船舶等领域装备的核心结构件,具有尺寸大、形状复杂、加工精度要求高等特点。目前,能克服龙门设备成本高、柔性和适应性不强等缺陷的机器人化加工系统成为大型复杂构件加工的利器。但现有的机器人... 详细信息

大型复杂构件是航天、轨道交通、能源、船舶等领域装备的核心结构件,具有尺寸大、形状复杂、加工精度要求高等特点。目前,能克服龙门设备成本高、柔性和适应性不强等缺陷的机器人化加工系统成为大型复杂构件加工的利器。但现有的机器人化加工系统本体性能存在工作空间小、负载能力弱等问题。因此,提出了一种可作为大型复杂构件加工机器人核心本体的混联机构。该混联机构包括1个执行加工任务的串联机械手和1个6-UPS并联机构;借助6个驱动杆驱动的6-UPS并联机构一方面用于支撑串联机械手并调控其位置,另一方面用于驱动以混联机构为本体的机器人行走,从而实现机器人的机动和工作空间的拓展。进行了串联机械手部分、6-UPS并联机构部分、整个混联机构的运动学建模和工作空间求解,证明整个混联机构的工作空间显著大于串联机械手部分的工作空间和6-UPS并联机构部分的工作空间;以提出的混联机构作为机器人本体,设计出机器人虚拟样机,通过在三维软件中实现机器人虚拟样机的步态行走,证明所设计的机器人可以借助行走功能进一步拓展工作空间。

关键词：大型复杂构件加工机器人本体设计工作空间

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大型复杂构件移动机器人原位制造技术架构

工具技术 2023年第7期57卷 61-66页

作者：文科徐建萍陈钦韬杨继之张加波王国欣中国空间技术研究院北京卫星制造厂有限公司北京市100094

为正确和高效地应用移动机器人技术,针对大型航天器复杂舱体制造实际工程应用提出“感知-决策-仿真-控制-执行”的综合技术架构,以揭示移动机器人的集成内涵。依据综合技术构建移动机器人应用架构,介绍移动机器人应用模式;构建大尺寸测... 详细信息

为正确和高效地应用移动机器人技术,针对大型航天器复杂舱体制造实际工程应用提出“感知-决策-仿真-控制-执行”的综合技术架构,以揭示移动机器人的集成内涵。依据综合技术构建移动机器人应用架构,介绍移动机器人应用模式;构建大尺寸测量架构,以测量模型为核心实现多环节数据与作业过程交互;构建智能工艺架构,以“定位-找正-加工”基础工艺路线构建系统工艺;构建数据流软件架构,通过多维仿真实现虚实融合、以虚控实过程;构建混合式控制架构,搭建反馈控制层、反应式的规划-执行层、规划层三层体系结构。在大型卫星模拟件上进行试验验证,证实所提出技术架构的正确性与有效性。

关键词：技术架构大型复杂构件移动机器人大尺寸测量智能工艺

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大型复杂构件制造过程残余应力演化与调控

宇航学报 2020年第6期41卷 676-685页

作者：姜建堂孟金奎董亚波赖小明邵文柱张豪甄良哈尔滨工业大学材料科学与工程学院哈尔滨150001 金属精密热加工国防科技重点实验室哈尔滨150001 北京卫星制造厂北京100094 江苏豪然喷射成形合金有限公司镇江212000

归纳了残余应力的基本类型及各类残余应力的计算机仿真方法,概述了残余应力形成与演化行为及残余应力调控技术的研究现状。以机械臂基座本体淬火过程为例,展示了有限元仿真在大型复杂构件残余应力演化行为分析上的应用;以工字型材模压... 详细信息

归纳了残余应力的基本类型及各类残余应力的计算机仿真方法,概述了残余应力形成与演化行为及残余应力调控技术的研究现状。以机械臂基座本体淬火过程为例,展示了有限元仿真在大型复杂构件残余应力演化行为分析上的应用;以工字型材模压去应力为例,通过有限元仿真重现了变截面构件模压去应力的过程并分析了模压去应力的影响因素。讨论了残余应力仿真预测与调控技术应用于组件及其涵盖构件制造-服役全寿命周期的可行性,预测了其集成于智能制造技术体系的巨大潜力。

关键词：大型复杂构件残余应力制造变形演化与调控

TA15钛合金大型复杂构件等温局部加载过渡区宏微观变形研究

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稀有金属材料与工程 2008年第9期37卷 1516-1521页

作者：李志燕杨合孙志超唐泽西北工业大学陕西西安710072

基于DEFORM3D平台,针对大型复杂构件建立了等温局部加载有限元模型,模拟分析了成形参数对过渡区成形和微观组织演化的影响规律。结果表明:随过渡区宽度的增加,过渡区纵向筋和横向筋之间的凹陷增大,平均晶粒尺寸减小;随加载道次的增加,... 详细信息

基于DEFORM3D平台,针对大型复杂构件建立了等温局部加载有限元模型,模拟分析了成形参数对过渡区成形和微观组织演化的影响规律。结果表明:随过渡区宽度的增加,过渡区纵向筋和横向筋之间的凹陷增大,平均晶粒尺寸减小;随加载道次的增加,过渡区纵向筋和横向筋之间的凹陷减小,平均晶粒尺寸减小;随锻造温度的升高,加载速度的减小其平均晶粒尺寸增大;只采用局部加载成形方式时,过渡区纵横筋充填不均匀,平均晶粒尺寸较小;采用先局部加载后精整的变形方式时,过渡区纵横筋的充填较好,平均晶粒尺寸较大。

关键词：局部加载过渡区晶粒尺寸 TA15钛合金大型复杂构件

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一种大型复杂构件加工新模式及新装备探讨

机械工程学报 2020年第19期56卷 70-78页

作者：谢福贵梅斌刘辛军张加波乐毅清华大学机械工程系摩擦学国家重点实验室清华大学(机械系)-西门子先进工业机器人联合研究中心清华大学精密超精密制造装备及控制北京市重点实验室北京卫星制造厂有限公司

大型复杂构件是航空航天、能源、船舶等领域装备的核心结构件,此类构件通常具有尺寸大、形状复杂、刚性弱等特点。传统"分体离线加工-在线检测"模式存在工艺不稳定、过程复杂、柔性差、周期长等问题,以龙门式多轴数控机床加工为代表的"... 详细信息

大型复杂构件是航空航天、能源、船舶等领域装备的核心结构件,此类构件通常具有尺寸大、形状复杂、刚性弱等特点。传统"分体离线加工-在线检测"模式存在工艺不稳定、过程复杂、柔性差、周期长等问题,以龙门式多轴数控机床加工为代表的"包容式"加工模式,难以适应大型复杂构件的高效高质量加工制造需求。提出一种基于移动式和吸附式机器人的多机协同原位加工新模式,通过多机器人系统自主寻位、精确定位加工与加工质量原位检测,实现大型复杂构件多安装面并行铣削、制孔与打磨等作业。多机器人系统包括移动式混联机器人、吸附式并联机器人、移动式串联铣削机器人、移动式双臂加工机器人和移动式打磨机器人。构建多机协同原位加工模式,需要揭示多机器人协同原位加工行为与大型弱刚性结构件质量控制的交互机理,面临着本体、测量、工艺和集成四个方面的挑战,需要设计高灵活、高刚度的移动式和吸附式加工机器人,解决移动机器人自主准确寻位和超大结构件原位高精检测难题,攻克加工变形误差在线补偿和振动抑制技术,通过集成实现多机协同高效高精加工,为大型复杂构件的高效高质量制造提供创新技术及装备,并实现此类构件制造核心技术及装备自主可控。

关键词：大型复杂构件多机协同原位加工移动式混联机器人吸附式并联机器人

钛合金大型复杂构件等温局部加载近β锻造组织控制研究进展

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航空材料学报 2014年第4期34卷 72-82页

作者：杨合孙志超樊晓光高鹏飞武川西北工业大学材料学院凝固技术国家重点实验室西安710072

高性能钛合金大型复杂构件精确塑性成形是航空航天高端装备实现大运力、低能耗、长寿命的必然选择,然而,面临如何提高成形制造能力和如何实现成形成性一体化控制的挑战。等温局部加载近β锻造为该类构件的成形提供了一种先进的工艺途径... 详细信息

高性能钛合金大型复杂构件精确塑性成形是航空航天高端装备实现大运力、低能耗、长寿命的必然选择,然而,面临如何提高成形制造能力和如何实现成形成性一体化控制的挑战。等温局部加载近β锻造为该类构件的成形提供了一种先进的工艺途径。由于成形过程的特殊性、构件结构的复杂性以及钛合金组织对成形方式与条件的敏感性,使得如何实现微观组织控制并获得性能优异的三态组织成为该成形技术研究发展与应用迫切需要解决的关键问题和基础性难题。从钛合金等温局部加载多道次成形组织演化机制、不同加载区和过渡区组织均匀性控制和三态组织形成及等温局部加载参数优化进行分析并给出了最新的研究进展。

关键词：钛合金大型复杂构件等温局部加载近β锻造组织控制

大型复杂构件机器人移动加工系统末端执行器设计

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大型复杂构件机器人移动加工系统末端执行器设计

作者：褚宏昊华中科技大学

学位级别：硕士

大型复杂构件,如风电叶片、航空结构件、高铁车体构件等,其自由曲面外形尺寸精度与表面粗糙度对提高其流体动力学性能至关重要,需要通过先进的光整加工技术实现高精度制造。基于移动平台搭载机械臂、机械臂法兰安装末端执行器构建的机... 详细信息

大型复杂构件,如风电叶片、航空结构件、高铁车体构件等,其自由曲面外形尺寸精度与表面粗糙度对提高其流体动力学性能至关重要,需要通过先进的光整加工技术实现高精度制造。基于移动平台搭载机械臂、机械臂法兰安装末端执行器构建的机器人移动加工系统为大型复杂构件的高效精密加工提供了新思路。本文基于机器人移动加工系统设计了一种三自由度并联末端执行器,结合虚拟系数的全并联机器人广义运动/力传递指标,提出了一种并联机构顺应设计指标,通过顺应设计指标完成了并联末端执行器的尺度优化,实现了大型复杂构件自由曲面的顺应加工。本文的主要研究内容如下:设计了一种三自由度并联末端执行器。通过研究典型的六自由度并联机构和少自由度并联机构,确定移动加工机器人并联末端执行器采用具有灵活定位能力的1T2R构型。基于实验室移动机械臂平台,设计了3-RRS并联末端执行器;推导了3-RRS并联末端执行器的运动学公式,借助螺旋理论求解出3-RRS并联机构的雅克比矩阵,为并联末端执行器的灵巧度分析提供了理论基础。分析了并联末端执行器的顺应工作空间。通过深入分析大型复杂构件磨抛加工的特点,确定了并联末端执行器位姿顺应的约束条件。提出了顺应工作空间的概念,与并联机构的一般工作空间相比,顺应工作空间的优点是可以指示出可达的磨抛区域。给出了两种计算顺应工作空间的方法,正解法较为直观但计算复杂度高,逆解法则更加方便有效。以3-RRS并联末端执行器磨抛加工球体为例,计算出顺应工作空间验证上述方法的有效性。完成了移动加工机器人并联末端执行器优化设计。结合一种基于虚拟系数的全并联机器人广义运动/力传递指标,重新定义顺应工作空间,并提出顺应设计指标的概念,以此进行了并联末端执行器的设计优化,分析了优化后的3-RRS并联末端执行器的工作空间和灵巧度;通过仿真分析验证了优化后3-RRS并联末端执行器可以对风电叶片进行顺应加工。构建了并联末端执行器轨迹跟踪实验平台和移动加工机器人并联末端执行器力控打磨实验平台。针对所研制的3-RRS并联末端执行器进行了轨迹跟踪实验,分析了轨迹跟踪的平均误差、最大正偏差和最小负偏差,证明了3-RRS并联末端执行器有较高的运动精度。基于移动加工机器人并联末端执行器力控打磨实验平台进行了力控打磨实验对3-RRS并联末端执行器的顺应加工性能进行评估,证明3-RRS并联末端执行器可以顺应风电叶片的自由曲面型面变化。通过理论分析和实验验证得到与工件表面正交的打磨力与舵机输入电流呈线性关系,且打磨力上下波动最大±2N。证明了移动加工机器人并联末端执行器可以有效地完成大型复杂构件自由曲面的顺应加工任务。

关键词：大型复杂构件机器人移动加工并联末端执行器顺应加工

同方学位论文库评论

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同方学位论文库

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大型复杂构件机器人铣磨控制系统设计

大型复杂构件机器人铣磨控制系统设计

作者：李克宁华中科技大学

学位级别：硕士

大型复杂构件是风洞、船舶、高铁、风电叶片等结构体的重要组成部件,具有尺寸大、难以移动、待加工型面可达性差、加工要求高等特点。现阶段由于缺少适宜的超大型精密加工机床对其表面进行加工处理,主要采用人工加工方式,此种作业方法... 详细信息

大型复杂构件是风洞、船舶、高铁、风电叶片等结构体的重要组成部件,具有尺寸大、难以移动、待加工型面可达性差、加工要求高等特点。现阶段由于缺少适宜的超大型精密加工机床对其表面进行加工处理,主要采用人工加工方式,此种作业方法具有劳动强度大、效率低、加工质量参差不齐等不足。因此,使用灵活度高的机器人代替人工加工成为目前研究的热点。本文通过分析某大型复杂构件的表面加工需求,研制一套具有铣削和磨削功能的机器人加工控制系统。本文提出了上位机、机器人、PLC三级串联的网络通讯结构,以西门子S7-1200故障安全型PLC作为主控制器,与底层执行设备之间建立现场总线控制网络,上位机通过机器人与PLC建立通讯连接从而实现对底层硬件控制。机器人铣磨加工控制系统的硬件设计主要包括PLC控制单元、导轨电机伺服驱动器、电主轴驱动器、AOK变频器等硬件的控制电路设计及其通讯网络设计等内容。根据控制系统的硬件设计和控制要求完成软件设计,采用TIA portal软件对PLC等硬件设备进行组态和配置,使用模块化的编程思想完成PLC的主程序设计和各执行硬件控制子程序设计,并对控制系统的安全程序进行设计,确保机器人铣磨加工系统在加工作业过程中的安全性。最后对机器人铣磨加工控制系统进行调试,验证了控制系统的可行性和稳定性,并对试验件进行加工实验,通过对加工实验结果的测量与分析,证明了机器人铣磨加工系统的加工性能满足预期要求。

关键词：大型复杂构件机器人铣磨 PLC 控制系统