叶片磨抛机器人力/位混合控制的设计与实现

为提高航空类发动机叶片的自动化磨抛精度,减小复杂曲面叶片加工轨迹控制误差,采用基于六维力传感器的机器人力/位混合控制策略,实现机器人磨抛轨迹的在线修正。搭建以Staubli机器人和ATI六维力传感器为核心部件的叶片磨抛验证平台,通过C++开发上位机,采集磨抛过程中六维力传感器信息并进行Kalman滤波。通过示教确定机器人运动轨迹,对机器人运动轨迹与力传感器信息进行采集分析,确定基于力/位混合控制可以实现机器人运动轨迹的在线修正,为复杂曲面的叶片磨抛轨迹控制提供一种解决方案。     

机器人磨抛复杂曲面加工轨迹对表面质量的影响研究

为了探究不同加工轨迹及其排布对工件磨抛加工表面质量的影响,本文进行了机器人磨抛轨迹对工件表面质量影响规律的研究。基于Preston去除方程和Hertz接触理论建立了砂带磨抛加工材料去除深度模型,分析了表面残留纹理的生成机理。以曲面航空发动机叶片为试验样件,利用自行搭建的机器人磨抛系统,分别使用等距轨迹、摆线轨迹进行加工试验,分析材料去除效果及表面纹理情况。试验结果表明,采用传统直线加工的等距轨迹于搭接处产生条带状纹理;摆线因其多方向性的加工动作,均化了表面纹理,提高了加工表面一致性。     

机器人磨抛氧化锆涂层工艺研究

使用搭建的机器人自动磨抛平台系统,针对氧化锆热障涂层磨抛工艺开展了研究,旨在通过机器人磨抛加工对涂层厚度及表面粗糙度进行合理控制,提高涂层表面质量。基于Preston理论建立了氧化锆涂层材料的去除模型;通过单因素试验研究了主要磨抛参数对材料去除深度的影响规律,基于正交试验确立了氧化锆涂层材料磨抛最优工艺参数组合和工艺步骤,对航空发动机喉道密封片氧化锆涂层进行了磨抛加工。试验结果表明,在一定范围内,材料去除深度随着磨抛压力及磨抛盘转速的增大而增大,随着进给速度的增大而减小;磨抛压力对材料去除深度的影响较大,磨抛倾角对去除深度的影响较小。机器人磨抛系统采用力控方式实现了定量均匀去除,涂层厚度和表面质量一致性良好,加工效率显著提高,同时也验证了本机器人自动磨抛系统的实用性和优越性。     

航发叶片7轴联动砂带柔性磨抛技术研究

为实现航空发动机叶片表面高质量磨抛工艺方法,研究了7轴联动专用数控砂带磨床,提出了叶片型面刀触点处磨抛余量计算方法,考虑了磨抛工具宽度、直径、弹性模量等诸多影响抛光力的因素,优化了施加于接触轮上的磨抛压力,实现了定量磨抛的工艺方法,生成了变抛光力NC程序.最后对铣削后航空发动机叶片进行磨抛工艺试验,加工后叶片表面光洁度较好,并且叶片型面尺寸精度与粗糙度均处于实际加工要求范围之内.     

钛合金风扇叶片磨抛加工性能试验研究

针对钛合金风扇叶片磨抛加工中砂轮易磨损、工件表面易烧伤的问题,开展了钛合金材料磨抛加工性试验研究,主要考察砂轮选型、磨抛工艺参数等关键因素对钛合金材料磨抛加工性的影响,并对试验结果进行了分析研究。试验结果表明,在保证工件表面加工质量(R_a0.8μm,表面无烧伤)的前提下,普通磨料砂轮GC46L10V磨抛加工钛合金的材料去除率和磨抛比分别可达5000mm~3/min和2.5,超硬磨料陶瓷结合剂CBN砂轮磨抛加工钛合金的材料去除率和磨抛比分别可达2000mm~3/min和4。基于研究结果,针对钛合金风扇叶片开展了砂带磨抛加工验证试验,工件加工质量良好。     

压气机叶片安装板内侧面自动化磨抛加工

针对压气机叶片安装板的自动化磨抛加工,基于北航提出的自动化磨抛加工工艺开展了应用研究。结合叶片安装板区域复杂曲面或结构特点,通过对磨抛轮的粒度优选、磨抛过程的优化以及接触压力的调整,实现了磨抛精度及表面粗糙度符合设计要求的攻关目标。试验结果表明:磨抛后表面粗糙度Ra在0.4μm以下,去除量在0.03mm以内,实现了替代手工磨抛的目的。在磨抛效率上也实现了与多台数控铣的节拍匹配,在200件叶片试制过程中磨抛工艺系统稳定,拟将该技术广泛推广应用于压气机叶片的研制和生产中。     

焊缝高效精密磨抛智能技术研究进展

焊接表面的缺陷严重影响焊接结构件的后续加工和服役,焊缝的高效精密磨抛是获得焊缝高质量表面的关键技术之一,研究焊缝高效精密磨抛具有重大意义。聚焦于焊缝高效精密磨抛的智能技术,总结焊缝磨抛的特点,从基本磨抛原理和模型、智能磨抛设备以及力控算法和基于视觉技术的焊缝高效精密磨抛3个方面详细阐述了焊缝磨抛智能技术的发展现状;最后阐述智能技术给焊缝高效精密磨抛技术带来的机遇与挑战,提出该领域亟待解决的问题。     

整体叶盘叶片磨抛工艺参数优化

以整体叶盘作为加工对象,为提高其叶片表面加工质量,降低表面粗糙度,展开整体叶盘磨抛工艺参数(如砂带粒度、砂带线速度、进给速度)的优化.首先,进行整体叶盘数控磨抛试验,其次,应用信噪比优化磨抛工艺参数,最后,选最优工艺参数对整体叶盘进行磨抛试验,加工表面测量结果表明,整体叶盘表面粗糙度显著降低,满足叶盘表面加工质量要求.     

航空发动机叶片叶缘随形磨抛刀路规划

航空发动机叶片是整机核心零件,其制造量占到30%以上。叶片叶缘具有大弯扭复杂曲面、薄壁圆角半径微小渐变、精度要求苛刻等特征,末端工序磨抛的精度和品质直接决定整机的性能与寿命。人工仍然是叶片叶缘磨抛的主要手段,然而粉尘危害健康、经验依赖性强、零件一致性差等不足决定了自动化磨抛是必然趋势。叶片叶缘自动化磨抛多采用砂轮横磨或纵磨的刀路规划方式,存在刀路不连续且分行密集、力控制困难等不足,易造成叶缘局部过切,难以保证圆角轮廓创成。为此,建立了砂带包络叶缘的螺旋进给力控磨抛工艺,提出了面族与复杂曲面高阶切触的随形磨抛路径规划方法,实现了叶片叶缘的宽行高效磨抛。首先对叶缘区域进行横磨刀路规划,然后依照圆弧拟合曲线原理进行高阶切触式包络段再规划,最后进行横纵混合磨抛路径规划实现螺旋式连续进给。针对航空发动机叶片开展仿真和实验验证,结果表明所提出的方法相比于传统的横磨或纵磨方法,可将刀触点减少78.8%,轮廓精度由-0.06~+0.07 mm提高到-0.015~+0.05 mm,表面粗糙度由R_a>3.2 μm提高到0.175 μm,并且有效保证了叶缘轮廓形状,避免了过切现象。     

基于在位测量的复杂曲面复合材料结构精密磨抛工艺研究

针对复合材料构件型面的在位测量需求,开展基于激光跟踪测量系统和机器人集成的在位测量技术研究,搭建在位测量的硬件和软件系统,实现了系统间的信息交互。利用在位测量数据的分析反馈确定在位测量辅助精密加工方法。基于该跟踪测量系统开展了典型抛物面复合材料结构件的型面精度磨抛加工试验,结果表明通过两次加工迭代可以实现复合材料复杂曲面的精度快速收敛,大幅提升磨抛加工效率和精度。     

A trajectory planning method on error compensation of residual height for aero-engine blades of robotic belt grinding

While the traditional trajectory planning methods are used in robotic belt grinding of blades with an uneven machining allowance distribution, it is hard to obtain the preferable profile accuracy and surface quality to meet the high-performance requirements of aero-engine. To solve this problem, a novel trajectory planning method is proposed in this paper by considering the developed interpolation algorithm and the machining allowance threshold. The residual height error obtained from grinding e...     

Application of novel force control strategies to enhance robotic abrasive belt grinding quality of aero-engine blades

Robotic belt grinding has emerged as a finishing process in recent years for machining components with high surface finish and flexibility.The surface machining consistency, however,is difficult to be guaranteed in such a process.To overcome this problem, a method of hybrid force-position control combined with PI/PD control is proposed to be applied in robotic abrasive belt grinding of complex geometries.Voltage signals are firstly obtained and transformed to force information with signal conditioning methods.Secondly, zero drift and gravity compensation algorithms are presented to calibrate the F/T transducer which is installed on the robot end-effector.Next, a force control strategy combining hybrid force-position control with PI/PD control is introduced to be employed in robotic abrasive belt grinding operations where the force control law is applied to the Z direction of the tool frame and the positon control law is used in the X direction of the tool frame.Then, the accuracy of the F/T transducer and the robotic force control system is analyzed to ensure the stability and reliability of force control in the robotic grinding process.Finally, two typical cases on robotic belt grinding of a test workpiece and an aero-engine blade are conducted to validate the practicality and effectiveness of the force control technology proposed.     

航空发动机叶片机器人精密砂带磨削研究现状及发展趋势

航空发动机叶片的型面精度及表面完整性对其疲劳寿命和气流动力性等影响巨大。机器人砂带磨削由于其灵活性好、易于调度、通用性强等特点成为提高叶片表面完整性的有效加工方法之一,但是工业机器人一般仅适用于粗加工,而对于半精加工以及精加工,提高机器人的定位精度是决定加工质量的关键问题。因此,对航空发动机叶片机器人砂带磨削研究现状进行归纳总结,为实现叶片精密磨削提供参考。首先,对叶片机器人砂带磨削系统的组成和结构形式进行了论述,从磨削接触廓形、材料去除规律和表面完整性等方面对砂带磨削机理进行了分析;其次,分别从基于CAD模型、数学模型和人工知识学习三方面总结了叶片机器人砂带磨削轨迹规划方法;然后,对叶片机器人砂带磨削运动控制技术研究进行了介绍,并分析了叶片机器人砂带磨削系统及集成技术;最后,对航空发动机叶片机器人砂带磨削研究现状进行了总结,在此基础上对其发展趋势进行了分析。     

基于单颗粒模型的航发叶片砂带磨削微观仿生锯齿状表面形成及实验

基于鲨鱼皮衍生出来的微观仿生表面被广泛应用于机翼等航空零部件的设计中，对于提高航空零部件的疲劳寿命、气流动力性等服役性能具有重要作用。砂带磨削能实现零部件表面的高完整性要求的加工，故常用于叶片、整体叶盘等复杂曲面的精密磨削，且能实现微观表面形状，但目前缺乏砂带磨削微观表面的系统研究从而难以实现其精确控制。首先，分析了微观仿生锯齿状表面的典型结构特征，基于单颗粒砂带磨削模型，研究了单颗粒砂带磨削去除机理；然后，建立了砂带磨削多颗粒参数化数学模型，提出了微观仿生锯齿状表面砂带磨削方法；最后，以钛合金叶片型面为对象，搭建以钛合金为典型材料的微观仿生锯齿状表面砂带磨削基础实验平台，进行仿生表面的实验验证。通过对磨削后叶片的表面微观形状参数进行检测，结果表明通过砂带磨削方法实现的微观仿生锯齿状表面以锯齿形沟槽为主，其中沟槽的宽度在2.5~8 μm之间、平均值为4.91 μm，沟槽的高度在3.5~9 μm之间、平均值为5.91 μm，沟槽的夹角在28°~68°之间、平均值为42.3°，验证了微观仿生锯齿状表面砂带磨削的可行性。     

Simulation and experimental investigation of inner-jet electrochemical grinding of GH4169 alloy

GH4169 alloy is one of the most commonly used materials in aero engine turbine blades, but its machinability is poor because of its excellent strength at high temperatures. Electrochemical machining (ECM) has become a common method for machining this alloy and other difficult-to-machine materials. Electrochemical grinding (ECG) is a hybrid process combining ECM and conventional grinding. In this paper, investigations conducted on inner-jet ECG of GH4169 alloy are described. Two types of inner-jet ECG grinding wheels were used to machine a flat bottom surface. The machining process was simulated using COMSOL software, and machining gaps under different machining parameters were obtained. In addition, maximum feed rates and maximum material removal rates under different machining parameters were studied experimentally. The maximum sizes and the uniformity of the distributions of the gaps machined by the two grinding wheels were compared. The effects of different applied voltages on the machining results were also investigated.     

Machining fixture for adaptive CNC machining process of near-net-shaped jet engine blade

Low stiffness and positioning problems are difficulties and challenges in the precise machining of near-net-shaped blades. This paper aims to achieve high accuracy in manufacturing by fixture- and deformation-control in the adaptive CNC machining process. Adaptive CNC machining technology is first analyzed, and new fixture-evaluation criteria and methods to evaluate the adaptive CNC machining process fixture design are built. Second, a machining fixture is designed and manufactured after analyzing its positioning scheme, clamping scheme, materials (PEEK-GF30), and structure characteristics. Finally, the designed fixture is analyzed by FEA and experimentally verified by a cutting experiment. The results show that the deformation of the blade is an overall rigid-body displacement, the main deformation of the blade-fixture system occurs on the four clamping heads, and this fixture can effectively protect the blade from local deformation. The proposed clamping-sequence method reliably and effectively controls the local maximum deformation of the blade. The system stiffness is increased by 20 Hz, with each clamping force increased by 200 N. Both high- and low-frequency displacement in roughing milling or finishing milling are acceptable relative to the accuracy demand of blade machining. This fixture and an adaptive CNC machining process can achieve high accuracy in blade manufacturing.     

High precision and efficiency robotic milling of complex parts:Challenges,approaches and trends

Due to the advantages of large workspace, low cost and the integrated vision/force sensing, robotic milling has become an important way for machining of complex parts. In recent years,many scholars have studied the problems existing in the applications of robotic milling, and lots of results have been made in the dynamics, pose planning, deformation control etc., which provides theoretical guidance for high precision and high efficiency of robotic milling. From the perspective of complex parts r...     

一种机器人砂带磨削的路径规划方法(英文)

机器人砂带磨削系统具有弹性接触和宽行加工两个显著优点,被广泛应用在具有复杂工件的终加工领域,提高表面质量和加工效率。有关在曲率约束下的磨削路径规划研究较为少见。由于工件与接触轮之间存在复杂的弹性接触,因此,机器人磨削路径可以利用接触运动学的一般方法来求解。机器人砂带磨削过程且需要满足一般的砂带磨削工艺要求,其中最重要的是保证接触轮与工件的局部几何特征贴合。在曲率较小的局部,相邻刀位点的弧长加大,以保证加工效率。相反地,在曲率较大的局部,相邻刀位点的弧长较小,以保证加工精度。利用一系列平面与目标曲面相截,得到相应的截平面的轮廓曲线。对于任意一条轮廓线,优化相邻刀位点之间的弧长,在曲率较大的局部增加一个中间刀位点。本文提出了一种包含弧长优化和主曲率匹配的磨削路径生产方法,通过离线仿真验证了有效性,并利用该方法提高了曲面的磨削质量。该路径规划方法为生成光顺且精确的机器人曲面磨削路径提供了理论依据。     

SiC材料机器人砂带磨削系统设计及试验研究

通过分析SiC材料的加工特点及难点,针对SiC材料成型后加工易产生崩边、开裂等问题,设计并搭建了机器人砂带柔性磨削系统,开展了相关试验研究工作。结果表明, 所搭建的砂带磨削系统可有效避免SiC材料加工过程中的崩边、开裂问题。     

航空发动机钛材料磨削技术研究现状及展望

钛材料主要指钛合金、钛铝金属间化合物和钛基复合材料,具有密度低、强度高、抗氧化与蠕变性能好等优异特性,在航空发动机领域具有广泛应用前景。钛材料属于典型的难加工材料。磨削是高效精密加工钛材料的重要方法,可以获得良好的加工精度和表面质量。首先概述了钛材料在航空发动机中的应用及其磨削工艺技术总体情况。随后,从磨削力与磨削温度、砂轮磨损、材料去除机理、表面完整性等方面阐述了钛材料磨削技术的研究进展,并总结了针对钛材料磨削关键问题提出的新工艺和新方法。最后,对钛材料磨削技术未来的研究方向进行了展望。