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基于铣削力反馈的机器人冷风干式铣削工艺研究

基于铣削力反馈的机器人冷风干式铣削工艺研究

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作者：刘潇南北京工业大学

学位级别：硕士

机器人铣削由于工作空间大、灵活性高和成本低等优点,正逐步代替多轴数控机床成为制造加工的重要方式。在机器人铣削研究中,解决铣削效率和工件表面质量间的矛盾仍是待解决的重要问题。针对该问题,以电弧增材后的工件为对象,集成机器人... 详细信息

机器人铣削由于工作空间大、灵活性高和成本低等优点,正逐步代替多轴数控机床成为制造加工的重要方式。在机器人铣削研究中,解决铣削效率和工件表面质量间的矛盾仍是待解决的重要问题。针对该问题,以电弧增材后的工件为对象,集成机器人铣削系统,结合最大铣削力控制技术和冷风干式铣削技术,以期望改善铣削表面质量的基础上提高加工效率。其中本文的主要研究内容和成果归纳如下:(1)集成库卡机器人铣削系统并优化工艺界面。首先根据机器人铣削系统的需求分析,进行系统硬件结构规划。将系统分为机器人系统、电主轴系统、外部传感系统、低温冷风系统,并利用工业总线进行设备集成,基于机器人系统、电主轴系统和传感系统系统开发环境,以面向对象的方法实现最大铣削合力控制模型的软件设计,完成对运动控制、工艺控制任务的设计,并针对系统需求设计了工艺指令界面设计功能。使各个部分之间进行有机协作,为工艺系统的控制研究提供基础平台。(2)提出机器人冷风干式铣削技术。为提高机器人铣削表面质量,采用机器人冷风干铣削技术。首先设计机器人冷风干式铣削技术实验方案,分别设置不同的冷风温度和冷风流量探究其对铣削工件表面质量的影响,然后通过改变冷风温度和冷风流量研究其对铣削力和铣削颤振这些外部因素的影响,最后再研究其对铣削表面纹理和表面粗糙度这些本质层面的影响。实验表明,机器人冷风干式铣削技术可以通过改善机器人铣削过程的颤振,来改善工件表面纹理和粗糙度。从铣削工件的宏观状况和微观状况结合来看,随着主轴转速的增大、铣削深度的减小、铣削速度的降低、冷风温度的降低和冷风流量的增加,铣削表面质量逐渐提升。最后实验发现在转速为3000r/min、铣削深度为1.5mm、铣削速度为2mm/s、冷风温度为-30℃和冷风流量为150L/min的参数下,表面粗糙度曲线幅值由1.7μm提升至0.6μm。(3)提出机器人最大铣削力控制策略。为提高机器人铣削表面质量和铣削效率,从铣削力物理模型出发优化加工过程中材料去除量突然增大的进给率,然后在铣削过程模型辨识的基础上设计最大铣削力PI控制器。通过控制进给率来保证最大铣削力在期望值范围内,实现了铣削效率的提升。从铣削工件的宏观状况和微观状况结合来看,使用最大铣削力控制技术后铣削表面纹理整齐,凹坑较少,表面质量有所提升,铣削效率也有所提升。实验表明,通过机器人最大铣削力控制策略可以在提高铣削表面质量的基础之上提高铣削效率。在转速为3000r/min和铣削深度为1.5mm的参数下,平均铣削速度从3mm/s提升到3.23mm/s。(4)基于铣削力反馈控制的冷风干式铣削实验验证。对常规铣削和最大切削力控制的冷式干风铣削状态下的铣削力、铣削合力、铣削效率、铣削颤振、表面纹理和表面粗糙度结果进行对比并讨论。从铣削工件的宏观状况和微观状况结合来看,在冷风干式铣削技术和最大铣削力控制技术结合的条件下铣削表面纹理更加整齐,表面凹坑有所减少,表面质量大大提升。实验表明,在两种技术的结合状态下使用相同的铣削工艺参数比常规铣削的铣削表面质量和效率均有所提高。在最适参数下冷风干式铣削技术和最大铣削力控制技术的结合条件下,粗糙度曲线幅值提升至0.36μm,其中铣削速度提升至3.63mm/s。

关键词：机器人铣削机器人铣削系统最大铣削力控制方法冷风干式铣削技术

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