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钻削力扰动作用下的机器人制孔毛刺预测方法研究

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钻削力扰动作用下的机器人制孔毛刺预测方法研究

作者：吴明宇东华大学

学位级别：硕士

地面防空战车的发射系统与车架之间主要依靠螺栓连接,传统机床设备无法在大跨度范围内完成战车车架制孔,而基于多关节机器人的自动制孔系统因其具有空间可达性高、柔性好的特点,适合战车车架安装孔制孔,但由于战车车架连接板的材料属于... 详细信息

地面防空战车的发射系统与车架之间主要依靠螺栓连接,传统机床设备无法在大跨度范围内完成战车车架制孔,而基于多关节机器人的自动制孔系统因其具有空间可达性高、柔性好的特点,适合战车车架安装孔制孔,但由于战车车架连接板的材料属于难加工材料,且多关节机器人制孔系统刚度低,在连接件上钻削大直径孔时,因切削力大系统易发生变形及颤振,造成制孔毛刺较为严重。为探究系统振动对制孔毛刺高度的影响,以机器人制孔系统钻削的不锈钢板为研究对象,从毛刺形成机理入手,通过研究钻削过程中动态切削力导致的系统颤振对制孔毛刺高度的影响,采用机理与数据融合的预测方法实现制孔毛刺高度的准确预测,为机器人制孔系统闭环控制奠定重要的技术基础,本文主要研究成果包括:（1）建立了机器人制孔系统钻削出口毛刺高度机理模型。首先通过机器人关节刚度辨识得到机器人的关节刚度矩阵,从而与运动学模型联合求解得到机器人操作刚度矩阵,实现系统刚度建模;其次对钻削力进行建模,通过对组成钻削力不同部分的分别建模最终得到总的钻削力模型;通过刚度与钻削力模型求解颤振模型以及强迫振动模型,得到系统总的振动模型;最后以上述建立模型为基础,联立材料本身固有物理特性建立毛刺高度机理模型。（2）建立了基于机理与数据融合驱动的制孔毛刺高度分类预测模型以及制孔加工参数优化模型预测模型以机理模型预测结果为基础,通过数据驱动的动态更新模型对机理模型预测结果进行补偿,从而最终预测结果为二者预测结果之和,在保留了模型可解释性的基础上提升了整体的预测精度;优化模型通过找到对于毛刺生成的影响程度最大的工艺参数,进而对其进行优化调整以降低毛刺。（3）搭建了机器人制孔实验平台,开发了机器人制孔控制软件原型系统,并基于上述系统进行机器人制孔实验,采集相关实验数据对所建立模型进行验证。经验证发现融合模型预测准确率达到94.7%,高于传统机理模型预测以及单纯基于数据模型预测准确率;在使用工艺参数优化算法后发现,验证组加工后生成的出口毛刺高度平均降低27%,证明了优化算法的可行性。

关键词：弱刚性机器人制孔毛刺控制机理数据融合预测

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叠层结构机器人制孔压紧力预测

浙江大学学报（工学版） 2015年第12期49卷 2282-2289页

作者：陈威朱伟东章明赵健冬梅标浙江大学机械工程学院浙江杭州310027 浙江中能工程检测有限公司浙江杭州311106

为了能合理地选择机器人制孔过程中的压紧力,基于叠层结构间隙消除的基本原理,提出机器人制孔过程中考虑初始间隙的压紧力预测方法.通过分析机器人自动化制孔过程中机身壁板刚度对各制孔位置所需压紧力大小的影响,并根据机身壁板的结构... 详细信息

为了能合理地选择机器人制孔过程中的压紧力,基于叠层结构间隙消除的基本原理,提出机器人制孔过程中考虑初始间隙的压紧力预测方法.通过分析机器人自动化制孔过程中机身壁板刚度对各制孔位置所需压紧力大小的影响,并根据机身壁板的结构特点,对机身壁板的区域进行划分.在制孔过程中,层间间隙的不同也会导致所需压紧力的不同,因而分析叠层制孔过程中间隙的形成原因以及间隙对压紧力的影响.基于构建的壁板结构有限元仿真模型,结合影响系数法获取蒙皮和长桁的刚度矩阵,利用蒙特卡洛模拟生成蒙皮和长桁的初始间隙,基于弹性力学原理计算各制孔位置间隙消除所需的制孔压紧力.采用预测的压紧力在机器人制孔平台上进行制孔实验.实验结果表明:制孔后层间毛刺高度均小于0.1mm,满足飞机装配中紧固孔的制孔质量要求.所提出的机器人制孔压紧力预测方法能够实现压紧力的准确预测,并有效抑制飞机壁板自动化制孔过程中毛刺的产生,确保紧固孔的制孔质量,为高效率的飞机自动化装配提供了技术支持.

关键词：机器人制孔初始间隙间隙消除有限元分析影响系数法压紧力预测

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基于压脚位移补偿的机器人制孔锪窝深度控制

浙江大学学报（工学版） 2012年第7期46卷 1157-1161,1181页

作者：费少华方强孟祥磊柯映林浙江大学机械工程学系浙江杭州310027 西安飞机工业(集团)有限责任公司陕西西安710089

为了解决机器人自动制孔过程中由于飞机壁板变形和振动引起的锪窝深度控制问题,提出将终端执行器压脚位移作为实时补偿信号的制孔进给轴全闭环控制系统设计方法;根据制孔过程中压脚振动的实际频率特性,引入低通滤波器,考虑飞机壁板锪窝... 详细信息

为了解决机器人自动制孔过程中由于飞机壁板变形和振动引起的锪窝深度控制问题,提出将终端执行器压脚位移作为实时补偿信号的制孔进给轴全闭环控制系统设计方法;根据制孔过程中压脚振动的实际频率特性,引入低通滤波器,考虑飞机壁板锪窝深度精度要求确定截止频率,有效抑制压脚高频振荡对进给轴位置精度的影响,保证锪窝深度以及加工孔的表面质量.在材料为铝合金的圆弧工件和平面工件上,分别加工直径为5.8和9.8mm的孔.实验结果表明,该系统可将加工孔的锪窝深度误差控制在0.02mm以内,表面粗糙度达到0.8μm.

关键词：机器人制孔锪窝深度终端执行器实时补偿低通滤波器

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机器人制孔自适应蚁群路径规划算法

火力与指挥控制 2017年第10期42卷 142-146页

作者：刘艳梅王鑫马跃晏沈阳航空航天大学自动化学院沈阳110136

随着现代飞机制造制孔技术的不断发展,对制孔效率、定位精度及加工质量提出更高的要求。采用CATIA软件建立飞机部件模型,提出自适应蚁群算法并应用于机器人制孔路径规划设计中。仿真实验表明,信息素挥发因子的大小对算法的全局搜索能力... 详细信息

随着现代飞机制造制孔技术的不断发展,对制孔效率、定位精度及加工质量提出更高的要求。采用CATIA软件建立飞机部件模型,提出自适应蚁群算法并应用于机器人制孔路径规划设计中。仿真实验表明,信息素挥发因子的大小对算法的全局搜索能力及收敛速度有直接影响,提出的自适应蚁群算法通过动态调整信息素挥发因子,充分改善了制孔方式的无目的性、生成的路径质量低等一些不足之处,从而实现机器人制孔路径规划的最优。

关键词： CATIA 自适应蚁群算法机器人制孔路径规划

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机器人制孔终端执行器控制系统设计研究

机器人制孔终端执行器控制系统设计研究

作者：费少华浙江大学

学位级别：硕士

机器人自动制孔系统作为柔性加工设备,灵活性高,且成本低,既适用大批量生产,又能快速适应产品更换,适应小批量或研制阶段的装配生产,因此在国外航空制造领域已经得到广泛的应用,并开始显现效益。而国内机器人自动制孔系统在航空领域的... 详细信息

机器人自动制孔系统作为柔性加工设备,灵活性高,且成本低,既适用大批量生产,又能快速适应产品更换,适应小批量或研制阶段的装配生产,因此在国外航空制造领域已经得到广泛的应用,并开始显现效益。而国内机器人自动制孔系统在航空领域的应用几乎为空白,主要依靠引进国外自动钻铆机实现自动制孔功能。在此背景下,浙江大学飞机数字化装配项目组自主研制开发一套基于飞机壁板制孔的机器人自动制孔系统,本文对制孔终端执行器的控制系统进行设计研究。第一章阐述论文研究的背景和意义,总结飞机装配中自动制孔系统的国内外发展现状,在阐述机器人及其终端执行器在飞机装配中应用技术的基础上,提出论文的研究内容。第二章首先阐述飞机壁板制孔工艺和要求,然后提出基于终端执行器的机器人自动制孔系统,对制孔系统每个组成部分的结构、功能和特点作了详细的介绍,最后分析机器人自动制孔系统的制孔工艺流程及其特点。第三章首先介绍终端执行器进给系统的控制原理,根据控制系统设计要求提出基于SynqNet总线技术的控制系统,并详细介绍系统中的硬件组成。然后根据进给系统的传动原理提出进给轴的全闭环控制方式,并设计交流伺服控制系统中电流环、速度环和位置环的PID控制器。最后介绍主轴电机的控制系统。由于制孔过程中工件的变形和振动使得锪窝深度难以控制,第四章首先提出基于压脚位置实时补偿的进给轴闭环控制系统,将制孔过程中的压脚位移等效于工件的变形量,并实时补偿到进给深度。同时设计低通滤波器,抑制压脚的高频振动对位置控制的干扰,以获得精确的锪窝深度和良好的表面质量。最后介绍该控制系统在MechaWare软件中的实现过程。为了验证终端执行器控制系统的可行性以及对锪窝深度的控制效果,第五章针对不同加工表面、不同压紧力、不同规格刀具,设置多组实验。根据对实验结果的分析得到,经过压脚位置实时补偿的终端执行器进给系统能够将锪窝深度误差控制在0.02mm以内,并且使加工孔的圆度、表面光洁度以及加工效率等相比较手工制孔有了大大的改善。第六章对全文的研究工作进行总结,并对进一步研究的内容进行展望。

关键词：机器人制孔终端执行器交流伺服电机闭环控制锪窝深度实时补偿低通滤波器 MechaWare

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机器人制孔姿态优化与光顺

机器人制孔姿态优化与光顺

作者：黄奇伟浙江大学

学位级别：硕士

机器人制孔系统因其低成本、高效率、高柔性的优势,在飞机制造装配中得到了广泛应用。然而串联机器人由于自身结构刚性较弱,在加工外力的作用下易产生变形,影响其终端执行器的定位精度。本文利用机器人制孔时存在的冗余性,通过姿态优化... 详细信息

机器人制孔系统因其低成本、高效率、高柔性的优势,在飞机制造装配中得到了广泛应用。然而串联机器人由于自身结构刚性较弱,在加工外力的作用下易产生变形,影响其终端执行器的定位精度。本文利用机器人制孔时存在的冗余性,通过姿态优化来选取首末加工孔位的最优姿态,并以首末最优姿态为边界条件,提出姿态光顺算法来确定中间孔位的制孔姿态。首先,综述了国内外机器人自动化制孔技术在飞机数字化装配中的发展和应用情况,提出其仍然存在着刚性弱,易变形的问题。对此,国内外学者研究利用机器人的加工冗余性,通过优化机器人的姿态来抑制末端变形,改善其结构刚性。其次,介绍了KUKA KR360-2机器人位姿描述的不同方式和连杆坐标系的建立方法。研究了机器人制孔姿态多样性的原因及姿态与变形的关系,提出了机器人制孔姿态优化与光顺方法,用以提高机器人制孔程序的加工效率和定位精度。机器人制孔姿态优化程序以CATIA仿真结果作为输入.首先确定冗余自由度的优化范围并离散,应用机器人反解算法计算每一末端姿态对应的关节角度值,然后调用相应的机器人仿真模型计算外力作用下的滑移变形,比较所有仿真结果,输出最小滑移变形对应的机器人制孔姿态。根据壁板孔位排列特征,规划出制孔路径。提出以该路径首末孔位的最优姿态为边界条件的姿态光顺算法来确定中间加工位置处机器人的制孔姿态,并对光顺后孔位姿态的加工定位时间和变形程度进行了分析。最后,基于机器人自动化制孔平台进行了壁板仿真加工试验,通过姿态优化程序选取首末最优加工姿态,并设计相应的交形试验用以验证该方法的可靠性。采用姿态光顺算法,优化程序中间孔位后进行制孔加工,制孔精度控制在±0.2mm以内,制孔效率从5孔/min提升至6孔/min,实现了机器人自动化制孔精度和效率的提升。

关键词：机器人制孔加工冗余滑移变形有限元分析姿态优化姿态光顺

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机器人制孔压紧力研究

机器人制孔压紧力研究

作者：刘雪锋浙江大学

学位级别：硕士

飞机数字化装配是飞机制造的重要环节,飞机构件连接孔的质量对装配精度和装配质量起着重要作用。随着飞机寿命、气动效率等性能指标的提升,传统的手工制孔,制孔精度和制孔效率已经不能满足飞机装配的要求。机器人制孔技术凭借着高精度... 详细信息

飞机数字化装配是飞机制造的重要环节,飞机构件连接孔的质量对装配精度和装配质量起着重要作用。随着飞机寿命、气动效率等性能指标的提升,传统的手工制孔,制孔精度和制孔效率已经不能满足飞机装配的要求。机器人制孔技术凭借着高精度和高效率,逐步取代手工制孔,成为飞机制孔的重要方式。机器人末端执行器刚度较弱,制孔时易发生变形,产生振动。一般在末端执行器上集成压脚装置,提高刚度性能,抑制振动。根据制孔系统的结构特点,建立机器人制孔姿态下的刚度模型。分析压脚装置的气动关系,根据气体方程,建立机器人位移和气缸压强的关系。将工件等效成刚体,将机器人简化成质量-弹簧-阻尼模型,推导机器人制孔系统的传递函数和动刚度表达式。通过锤击法测量机器人制孔系统的固有频率和阻尼比,计算系统的传递函数,仿真不同压紧力下的动态响应曲线。压紧力可以有效的增大机器人制孔系统的动刚度,提升系统的刚度和阻尼性能。机器人制孔系统加工叠层工件时,为抑制层间毛刺的生长,压脚装置施加压紧力,抑制层间间隙。分析叠层工件层间毛刺的产生原理,建立层间毛刺高度和层间间隙的关系。将叠层工件简化成固支梁模型,分析压紧力对层间间隙的影响。考虑工件厚度和压紧力因素,设计响应面实验,通过有限元数值仿真获取层间间隙,构建响应面模型。结合工件厚度和无毛刺的要求,精确预测压紧力。实验表明,随着压紧力的增大,层间毛刺逐渐减小。采用预测的压紧力,层间毛刺高度均低于0.1mm,满足无毛刺的制孔要求。基于有限元的压紧力预测方法,实现了压紧力的快速准确预测,为机器人制孔压紧力的选择提供了理论依据。

关键词：机器人制孔压紧力刚度有限元层间毛刺

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机器人制孔视觉测量系统开发研究

机器人制孔视觉测量系统开发研究

作者：闫国瑞浙江大学

学位级别：硕士

如今飞机制造业对飞机装配技术提出了高质量、高效率和低成本的生产要求。而对于飞机装配,由于大型飞机壁板上装配孔数量有数千个之多,且材料一般又难以加工,故孔加工是飞机装配的主要瓶颈之一。在这种情形下,机器人制孔技术便成为了飞... 详细信息

如今飞机制造业对飞机装配技术提出了高质量、高效率和低成本的生产要求。而对于飞机装配,由于大型飞机壁板上装配孔数量有数千个之多,且材料一般又难以加工,故孔加工是飞机装配的主要瓶颈之一。在这种情形下,机器人制孔技术便成为了飞机装配领域的一个重要应用和研究方向,其中加工孔定位是其位置精度补偿关键技术的重要组成部分。为实现机器人制孔的自主定位,提高自动化和柔性化水平,本文为飞机装配领域的机器人制孔开发了一套视觉测量系统。本文第一章介绍了机器人制孔视觉测量系统的国内外发展现状,概述和总结了系统开发的相关技术及其研究现状,给出了本论文的研究意义、内容和框架;对于图像上孔位的提取算法,第二章根据生产需要提出了算法开发应考虑的三种性能：精度、鲁棒性和处理速度,并为有不同性能需求的三种应用情形：手眼标定、自动搜索和视觉测量,开发了相适应的基于OpenCV的孔位提取算法;对于机器人手眼标定问题,第三章提出了基于标定板装置几何关系特性的手眼标定方法,该方法一方面将刀具坐标系的建立依托在标定板上,另一方面通过标定板九孔阵列图像来标定相机内外参数,从而可通过由九孔阵列建立的标定板工件坐标系来确定手眼关系。本章介绍了标定原理,设计了标定板装置的机械结构,完成了标定中相关计算,详细阐述了该标定方法的应用流程;第四章进行了视觉测量误差分析,对物距和垂直度两大主要误差影响因素进行了实验研究,并也结合了理论研究,提出了二者的误差允许范围以及它们的控制方法：基于使用压脚位移传感器组调姿的垂直度控制方法和基于应用图像清晰度评价函数进行相机对焦的物距控制方法,而且为进一步保证测量精度,在测量方式上提出了一种将待测孔位逐步收敛至成像中心的迭代测量方法;第五章介绍了视觉测量系统的开发,给出了系统的软硬件总体架构,以及软件系统的界面布局和功能组成,阐述了相机对焦、孔位搜索和孔位测量等主要视觉功能的运行机理、实现方式以及软件操作方法等。最后进行了系统的验证实验,实验表明,系统各功能运行良好,手眼标定方法可行,迭代测量效率有保障,视觉测量的定位精度可以达到0.1mm。

关键词：机器人制孔视觉测量图像孔位提取手眼标定误差分析与控制

基于DELMIA的机器人制孔离线编程系统开发

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计算机应用 2020年第S2期40卷 112-116页

作者：赵安安张程郭峰周新房中航飞机股份有限公司西安710089

针对机器人自动化制孔系统中离线编程软件使用较复杂的问题,提出一种基于DELMIA软件及其二次开发的新型机器人制孔离线编程方法,开发了一套更加简单快捷的离线编程系统。首先设计了离线编程系统的总体架构,梳理了工艺流程,分析了制孔点... 详细信息

针对机器人自动化制孔系统中离线编程软件使用较复杂的问题,提出一种基于DELMIA软件及其二次开发的新型机器人制孔离线编程方法,开发了一套更加简单快捷的离线编程系统。首先设计了离线编程系统的总体架构,梳理了工艺流程,分析了制孔点坐标系生成方法,自动获取了孔位法向参数,通过程序计算出材料的夹层厚度,经过基准点的映射与计算后,最终自动规划制孔路径,生成离线代码。仿真结果表明,该系统极大缩短了机器人制孔前期离线编程时间,减少了人工操作量,尽可能地实现了离线编程过程的全自动化,对开发统一的机器人自动化制孔离线编程系统具有指导意义。

关键词：机器人制孔离线编程 DELMIA二次开发路径规划法向找正