大型复杂构件机器人加工稳定性研究进展

工业机器人正逐步应用于大型复杂构件的制造与装配领域，其加工稳定性是实现大型复杂构件高精、高效、高质量加工的基础，颤振抑制是实现机器人稳定加工的重要途径。与数控机床单一颤振类型不同，机器人加工颤振主要由再生型颤振和振型耦合型颤振构成，二者共同作用加剧了稳定性解析的复杂度。国内外学者在机器人加工颤振形成机理、颤振预测与控制等方面开展了理论与实验研究，并取得了诸多成果，但研究仍处于起步阶段。目前，机器人加工颤振产生机理尚不明确、稳定性理论解析方法尚不全面、颤振控制技术尚不成熟，工程应用尚未普及，加工稳定性研究的深度和广度仍有较大提升空间。为此，从机器人加工颤振机理、颤振规避方法、颤振抑制方法及加工稳定性应用案例分析4个方面对国内外文献进行了全面总结，并提出后续发展方向，可为大型复杂构件机器人加工稳定性的研究提供指导。     

飞机蒙皮镜像铣加工稳定性分析

镜像铣技术是近年来提出的一种针对大尺寸薄壁件的加工方法,其加工环保、高效,具有逐步取代传统化铣加工的趋势。针对飞机蒙皮镜像铣加工过程中的颤振问题,首先,根据镜像铣加工特点,建立工艺系统颤振稳定性极限的预测模型;其次,通过有限元方法对蒙皮工件进行模态分析,分析蒙皮不同加工位置动力学特性变化导致的铣削稳定性变化,并通过实验测量获取工件动力学参数,对不同加工位置的稳定性做出预测;最后,开展加工实验,基于非接触测量方法,在线监测镜像铣加工区域的振动位移,通过时、频域信号对加工状态进行辨识,揭示了镜像铣加工过程的稳定性变化及失稳机制,验证了所提方法的准确性,在工程领域具有较高的实用价值。     

复杂叶片机器人磨抛加工工艺技术研究进展

针对航空、航天、能源等国家战略领域复杂叶片高效高品质加工重大需求,对近年来以工业机器人为装备执行体的机器人磨抛加工技术的研究进展进行了综述。具体围绕叶片机器人磨抛中涉及的加工系统精确标定、测量点云高效匹配、加工轨迹自适应规划,以及柔顺力精密控制等关键工艺技术,系统而全面地分析了国内外已公开发表的相关文献,并以典型的汽轮机叶片和发动机叶片为例,阐述了叶片机器人磨抛工程应用效果。最后从叶片特殊部位一体化加工、磨抛加工颤振抑制、磨抛表面完整性控制、叶片增减材混合加工等方面对该领域未来研究方向进行了展望。     

气动阀门颤振的局部稳定与全局稳定特性

基于修正的库仑摩擦力模型,理论分析了气动阀门的非线性稳定特性,提出了阀门颤振的不稳定、局部稳定及全局稳定区域,定性解释了阀门在局部稳定区域颤振的必然性与偶然性;并针对某型号用保险阀,构建了基于AMESim的保险阀系统仿真模型,通过线性及非线性稳定性仿真分析,获得了该保险阀系统的局部稳定、全局稳定特性及库仑摩擦力对稳定性的影响特性,在此基础上,开展了不同摩擦力条件、扰动条件下的保险阀系统非线性稳定特性的试验研究,结果表明:对于非线性阀门系统,在局部稳定区域会存在小扰动稳定、大扰动不稳定的状态,从仿真角度解释了该保险阀系统在通气试验保持稳定而在通气振动试验中却发生明显颤振的现象;同时,库仑摩擦力增加可有效提升保险阀的系统稳定性及抗扰动能力,试验结果验证了保险阀非线性稳定性分析结果的有效性。      

大型复杂构件机器人制孔技术研究进展

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。     

切削加工过程中颤振在线监测研究综述

颤振是航空航天加工制造等领域中广泛存在的问题，深入开展切削加工过程中颤振在线监测研究对于进一步提升颤振抑制效果、保障加工系统稳定运行具有重要意义。根据颤振在线监测所需的实时性和精确性的要求，围绕数据采集、在线特征提取及颤振识别进行综述，首先介绍了3种颤振数据采集方法的特点，然后深入归纳与分析了颤振特征应用情况及影响颤振特征提取的关键因素，接着比较并总结了基于有监督学习和无监督学习的颤振识别技术的特点，最后总结并展望了目前颤振在线监测所存在的问题及发展趋势，可为未来颤振在线监测研究提供参考。     

压气机风扇叶片颤振预测和抑制的工程研究

通过能量法对某压气机风扇试验件叶片原型方案进行气弹稳定性预测,计算出该方案的颤振边界点.对其中气弹不稳定叶片的几何造型进行修改以提高气弹稳定性.通过原型和改型方案的叶片几何造型、气动性能、振动特性以及气弹稳定性的对比,从气动角度分析了压气机风扇叶片颤振的机理.获得了工程上抑制压气机风扇叶片颤振的有效手段,如增大叶片弦长、降低展弦比,增大叶片厚度、增强叶片刚性,减小攻角、改善流动状况.      

中央开槽箱梁颤振非线性特性和振动分叉现象及其机理

为探究超大跨度缆索承重桥梁在大攻角范围内的颤振稳定性，通过节段模型风洞试验对中央开槽箱梁在风攻角±10°范围内的颤振非线性特性和振动分叉现象及其机理进行了研究。结果显示：当风攻角为-2°～10°时，节段模型系统未发生颤振；当风攻角为-3°和-4°时，观察到了含振动分叉的非线性颤振现象，且起振幅值随风速的增加而减小；当风攻角为-5°～-10°时，颤振无需人工激励就会自动发生。两种非线性颤振均为弯扭耦合颤振，并最终做极限环振动。非线性颤振的起振风速随着负攻角的增大而减小，耦合程度随着折减风速的增加而增加。系统等效阻尼比-振幅曲线可以很好地解释非线性颤振机理，曲线的零点为系统平衡点，其中斜率为正的零点为稳定平衡点，对应稳态振幅；斜率为负的零点为不稳定平衡点，对应起振振幅。对于含振动分叉的非线性颤振，系统存在一个稳定平衡点和一个不稳定平衡点；而对于无需人工初始激励的非线性颤振，系统只有一个稳定平衡点。     

电动舵系统颤振影响因素分析

针对电动舵系统颤振问题,将舵系统简化为双惯量模型,并在该模型的基础上分析了舵系统颤振的原因.通过对舵系统传递函数以及单自由度碰撞振动系统力学模型的分析,得出传动机构刚度、间隙等非线性因素以及负载惯量对舵系统稳定性的影响,并分析了各因素造成舵系统颤振的原因.通过数学仿真,验证了所得结论的正确性,并针对颤振抑制提出了相应的改进措施.     

无稳定状态颤振的单变量极值搜索算法仿真

针对无稳定状态颤振的单变量极值搜索算法限制条件较为严格的问题,利用平均化方法构造了平均化系统并证明了算法的稳定性,给出了系统参数的选取条件。以微喷十字粱实验系统为例进行应用仿真研究,说明无稳定状态颤振极值搜索算法可减弱系统颤振,改善算法稳定性和准确性。     

立铣加工颤振稳定性时域求解与分析研究(英文)

In this paper, the instantaneous undeformed chip thickness is modeled to include the dynamic modulation caused by the tool vibration while the dynamic regenerative effects are taken into account. The numerical method is used to solve the differential equations goveming the dynamics of the milling system. Several chatter detection criteria are applied synthetically to the simulated signals and the stability diagram is obtained in time-domain. The simulation results in time-domain show a good agreement with the analytical prediction, which is validated by the cutting experiments. By simulating the chatter stability lobes in the time-domain and analyzing the influences of different spindle speeds on the vibration amplitudes of the tool under a Fixed chip-load condition, conclusions could be drawn as follows： In rough milling, higher machining efficiency can be achieved by selecting a spindle speed corresponding to the axial depth of cut in accordance with the simulated chatter stability lobes, and in Fmish milling, lower surface roughness can be achieved by selecting a spindle speed well beyond the resonant frequency of machining system.     

飞机表面爬行机器人轨迹跟踪控制方法研究

针对飞机蒙皮铆钉缺陷无损检测移动机器人进行了运动学和动力学建模,并且基于该移动机器人的模型,设计了双闭环轨迹线性化控制器(trajectory linearization control,TLC)。同时设计了逻辑控制算法保证机器人运动轴在达到完整约束临界点时进行状态切换。该方法解决了在飞机特殊表面环境下,对基于X-Y平台的新型爬行机器人如何完成轨迹跟踪控制的问题。实验结果表明,该控制器具有较好的动态性能,能够在满足系统实时性要求的前提下实现爬行机器人距离精确性和速度稳定性控制。     

超声振动切削对耦合颤振的影响

以耦合颤振为研究对象,通过理论分析和实验测量,研究了超声振动切削(UVC)方法对其影响及机理。超声振动切削可以通过控制系统能量摄入抑制耦合颤振。一方面,确定系统发生耦合颤振具有临界能量阀值,系统摄入能量为瞬时切削功率在净切削时间内的积分;建立的临界切削深度模型,表明超声振动切削可以增大临界切深,这表示系统具有更大的切削功率阀值,其原因是超声振动切削方法净切削时间减少,从而在一定切削时间内维持系统能量摄入总量不变,保证切削系统的稳定。另一方面,在相同条件下,超声振动切削可以有效降低平均切削力,减少系统摄入的能量,从而减弱耦合颤振的振动幅度,对其进行抑制。使用自行研制的弱刚度镗杆进行了对比实验,实验结果表明:超声振动切削可以增大临界切削深度且临界切深与占空比成反比;在相同条件下减小了系统振动幅度,获得了更好的加工质量。     

Gear walk instability studies using flexible multibody dynamics simulation methods in SIMPACK

In a variety of mechanical systems friction induced vibrations are a major concern. The aircraft landing gear is by nature a complex multidegree-of-freedom dynamic system. It may encounter various vibration modes which can be induced by brake frictional characteristics and design features. These brake induced oscillations can lead to very high loads in the landing gear and brake structure which may result in passenger discomfort and sometimes in component failure. Along with the serious fore and aft oscillations of a landing gear, often referred to as gear walk, chatter, squeal, shimmy and other vibrations in aircraft landing systems are not only annoying and disconcerting but can also affect the stability of the plane during take-off, landing, and rolling. In this paper, simulation of such an unstable and complex phenomenon during aircraft ground maneuvers is done to detect vibrations in aircraft landing gear. A commercial multibody simulation tool SIMPACK is used for this purpose. The article is based on work done in co-operation between DLR and Liebherr Aerospace.     

飞机燃油系统功能仿真分析

燃油系统在飞机上是一个非常庞大而且复杂的系统。利用流体仿真软件nowmaster构建了飞机燃油系统整体模型,并进行了一系列仿真分析,分别追踪了管路系统在正常情况、某一（些）增压泵失效、一发动机失效时发动机入口流量和压力随时间变化曲线,并与设计流量和压力进行对比分析,发现计算结果满足设计要求,证明这种方法是切实可行的。     

约束阻尼型镗杆的优化及减振性能

孔加工过程中镗杆的切削颤振影响着表面加工质量和加工精度,约束阻尼型镗杆可有效抑制这种切削振动,但其作用机理未被完全研究清楚,导致其抑制振动的效果一般。对约束阻尼型镗杆的结构优化、材料优选及减振性能进行了理论和实验研究。首先,根据Kelvin-Voigt粘弹性力学模型理论建立了镗杆的动力学模型,研究证实增大镗杆的静刚度和结构损耗因子能提高其减振性能从而提高孔加工质量;其次,基于建立的约束阻尼型镗杆静刚度和结构损耗因子理论公式,对其进行结构优化、材料优选。结果显示:存在一个最佳尺寸范围可减小镗杆在主要工作频域段上的振动,同时所选用的阻尼层应具有较小的弹性模量和较大的材料损耗因子,约束层材料应具有较大的弹性模量;最后,设计制造4种不同材料的约束阻尼型镗杆,通过模态实验获得静刚度、结构损耗因子,并与理论计算结果进行对比分析,同时研究切削过程中约束阻尼型镗杆的材料及切削参数对减振性能的影响。结果显示:约束阻尼型镗杆能有效减小径向振动以提高加工质量,不同材料的约束阻尼型镗杆在切削过程中径向振动差别较大,优化后的钢-PMMA-硬质合金镗杆在不同切深及转速下的径向振动加速度较小且更加稳定。     

倾转旋翼机前飞动力学稳定性分析

倾转旋翼机的机翼端部装有一个可倾转的旋翼.所建立的倾转旋翼机前飞动力学稳定性分析简化模型由一个机翼和一个螺旋桨旋翼组成.机翼承受垂向弯曲、弦向弯曲和扭转变形,螺旋桨旋翼的桨叶认为是刚性的并承受一阶挥舞和摆振.机翼和螺旋桨旋翼的空气动力学载荷由准定常片条理论得到.利用此模型在高入流状态下建立运动微分方程,对倾转旋翼机在前飞状态下的动力学稳定性进行计算,计算结果与Bell公司试验结果基本一致,表明该模型可用于倾转旋翼机的前飞动力学稳定性分析.      

机翼尾迹脱落涡噪声的理论研究

Ｍｉｃｈｅｌ等人１９９８年应用平面传声器阵列对飞机过顶噪声进行的测量研究首次发现，机翼尾迹脱落涡噪声是某些类型飞机重要的噪声源。为发展一种预测这种噪声源的理论预测模型，应用ｖｏｎ Ｋａｒｍａｎ涡街模型模拟二维机翼下游尾迹脱落涡，尾迹涡的强度和脱落频率应用这个模型进行计算。基于Ｈｏｗｅ后缘噪声理论，并结合尾迹模型，本文发展了一种预测脱落涡噪声声压级和指向特征的气动声学模型。对６架现代商用飞机的机翼尾迹脱落涡噪声的计算表明，本文理论模型预测的涡脱落频率、声压级以及噪声的指向性等与实验测量结果有较好的一致性。     

利用翼尖减阻装置提高碟形飞行器性能

碟型飞行器采用了新颖的翼身融合气动布局.与常规飞行器相比,这种外形通过机身和机翼完全融合消除了机身阻力,且具有结构简单、容载大等许多优点,但由于其展弦比小而导致诱导阻力较大.本文通过风洞吹风试验,找到一种后掠鱼鳍形的翼尖小翼装置能很好地减小其诱导阻力.对模型安装翼尖小翼后,风洞测量其最大升阻比在30 m/s风速下提高了75%,在50 m/s风速下可达到15.为进一步考察安装翼尖装置后的飞行器低速气动性能,对其进行了模型试飞研究.试飞验证了风洞吹风结果,不仅提高了载重量而且使横侧飞行稳定性增强.