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。     

CFRP制孔加工技术的研究进展与发展趋势

碳纤维增强树脂基复合材料(carbon fiber reinforced polymer,CFRP)因具有优异的物理和力学性能已广泛应用于航空、航天和汽车等领域的结构件制造。然而,CFRP材料和金属材料的属性截然不同,具有非匀质性和各向异性,在制孔加工过程中,极易产生分层、撕裂、毛刺等缺陷,严重影响其制孔质量。因此,CFRP-金属叠层结构制孔技术成为飞机连接装配过程中的一大难点。本文归纳了近年来CFRP钻削加工机理的研究现状,总结出CFRP切屑形成机理与纤维方向角的关系,轴向钻削力和钻削温度与刀具形状、工件材料和工艺参数之间的关系;分析了CFRP钻削过程中分层、毛刺、撕裂等典型加工缺陷的产生原因、检测和评价方法及抑制措施;探讨了CFRP制孔刀具材料、几何结构及仿真研究方面的最新进展,提出建立准确可靠的CFRP材料本构模型是钻削加工模拟仿真技术研究的关键;通过对变工艺参数钻削加工、机器人自动制孔加工及吸气式内排屑钻削加工等新型CFRP制孔加工技术的介绍,展望了CFRP制孔技术的发展趋势。     

标准关节机器人外部自动精确控制技术研究

本文以飞机柔性装配中的自动化钻铆系统为研究背景,旨在开发出可应用于飞机柔性装配的标准关节机器人外部自动精确控制技术,并在加工效率、控制精度和稳定性等方面满足航空制造的要求。     

机器人旋转超声钻削CFRP/铝合金叠层材料的钻削力实验研究

针对机器人钻削(RCD)CFRP/铝合金叠层材料中钻削力过大引起柔性机器人姿态变形、影响制孔精度与质量的问题,提出了一种机器人旋转超声钻削方法(RRUD),实现钻削力的减小。实验结果显示:加入旋转超声后机器人钻削力显著减小,麻花钻与机器人旋转超声加工系统的匹配性优于三尖钻。采用小进给、高转速的工艺参数可以进一步减小机器人钻削力。为机器人旋转超声钻削CFRP/铝合金叠层材料的钻削力优化提供了参考与依据。     

机器人自动制孔技术在飞机装配中的应用

采用机器人进行飞机结构件自动化钻铆工艺过程可以提高制孔、铆接质量,从而提高飞机制造装备的柔性和自动化程度,并保证飞机使用寿命,最终提高飞机制造的总体水平。采用机器人进行飞机结构件自动化制孔在我国航空制造领域的应用还不成熟,特别对于机器人自动制孔应用软件研究及制孔模拟仿真还没有完全掌握,因此对机器人自动制孔技术的研究至关重要。     

面向航空发动机薄壁回转体复材构件装配的机器人调姿定位系统

航空发动机上薄壁回转体复材构件的制造装配涉及到调姿定位、制孔、铆接、涂胶等工序,而调姿定位效率和定位精度关系到产品的产能和装配质量。为了进一步提高该产品的装配质量和装配效率,研制了一种机器人调姿定位系统以替代人工装配调姿定位作业。该系统是基于RV传动的4自由度高刚性机械臂,能对薄壁回转体复材构件进行自动抓取和高精度快速调姿定位,为航空发动机薄壁回转体复材构件产品的数字化制造装配调姿定位提供了新的技术手段和工艺装备。     

CFRP/钛合金叠层材料制孔技术的现状与展望

综述了近年来国内外对CFRP/钛合金叠层材料制孔技术的研究进展,重点介绍了传统方法钻削CFRP/钛合金叠层材料过程中轴向力和扭矩、钻削温度的测量方法,轴向力和扭矩的变化规律,以及刀具磨损、加工损伤与钻削工艺的关系;对螺旋铣孔、低频振动钻孔和超声辅助振动钻孔的实现方法、运动特点和加工质量进行了分析总结,并对CFRP/钛合金叠层材料制孔技术的应用和研究动向进行了探讨。     

机器人自动制孔系统钻削工艺参数优化

以铝铝、钛钛和钛铝3种典型叠层构件为研究对象,利用专用试切台和钻孔质量检测仪,研究了机器人自动制孔系统钻削工艺参数。研究表明,铝铝和钛钛叠层构件机器人自动制孔系统可采用一次连续制孔方式实现高精度钻孔,对于铝铝叠层制孔系统采用主轴转速为4000r/min和进给速度为1200mm/min的参数较为合适。钛钛叠层制孔系统采用主轴转速为800r/min和进给速度30mm/min的参数较为合适。钛铝叠层构件自动钻孔时,当叠层厚度大于10mm时,制孔系统采用多次变主轴转速方式钻孔较好,且跟据各层材料选用工艺参数;当厚度小于10mm时,制孔系统采用一次连续方式钻孔,且以钛合金工艺参数进行钻孔。     

铣削加工用混联机器人参数曲线插补方法

传统加工装备难以满足高速、高精度、高柔性加工需求,研发高性能加工装备势在必行。以实现航空制造领域高速高精度加工为研究目的,提出一种基于混联机器人平台的加工方法。介绍一种新型五轴混联加工机器人(TriMule),并建立其运动学逆解模型。为提高加工精度,阐述了参数曲线插补原理及其在混联机器人加工装备上的应用。最后结合螺旋铣孔加工工艺,在混联机器人加工平台上进行钛合金铣孔试验。仿真和试验结果表明,采用参数曲线插补方法,能有效限制进给率波动,改善混联机器人加工精度。总结全文,指出混联机器人具备高刚度、高速度、高精度及高柔性等特点,在航空制造领域具有广阔的应用前景。     

大直径交点孔螺旋铣精加工技术研究

在飞机装配过程中经常需要进行大直径交点孔的精加工。交点孔的直径大、材料工艺性差导致精加工时切削力大、振动大,不同耳片间初孔不同心导致刀具受力不均易引偏,装配制孔作业环境复杂导致大型加工设备使用困难。目前主要加工方法为使用自动进给钻进行多次的扩孔和铰孔,制孔效率低、使用刀具种类多、成本高。螺旋铣孔是航空航天领域出现的制孔新方法,在难加工材料大直径孔加工中,与传统的钻、扩、铰工艺相比具有更好的制孔质量和效率,尤其在扩孔加工时,螺旋铣孔刀具不会被初孔引偏,优势明显。基于便携式螺旋铣孔装备,开展了大直径交点孔扩孔精加工试验,检测了加工孔的尺寸精度和孔壁表面质量,并进一步研究了孔壁表面完整性,结果表明,孔径尺寸精度优于±0.05 mm,孔壁粗糙度优于R_a1.6μm,验证了采用螺旋铣孔方法实现飞机装配交点孔精加工的可行性。     

螺旋铣孔技术研究进展

各种连接孔的加工是航空航天构件装配中的重要工作之一。新型大型飞机等难加工材料使用越来越多、制孔孔径深度越来越大、制孔精度质量要求越来越高,使得制孔加工变得越发困难,传统制孔方法逐渐不能满足需求。螺旋铣孔是一种针对航空航天构件装配制孔需求出现的新技术,其采用特制刀具通过偏心铣削的方式实现圆孔加工。由于材料去除原理改变,螺旋铣孔相对传统制孔方法在加工精度、生产效率、刀具成本、适用性等多个方面表现出优势,成为当前航空航天领域制孔技术的研究热点之一。首先在阐述螺旋铣孔基本原理的基础上分析了其技术优势;然后重点围绕加工机理与专用装备两个方面,概述了螺旋铣孔技术的发展现状;最后,分析了螺旋铣孔技术的发展趋势。     

4J29可伐合金超声振动辅助钻削试验研究

4J29可伐合金由于具有和奥氏体不锈钢相近的难切削特点,传统钻削制孔质量较差,为了研究4J29可伐合金制孔质量的影响因素,提高制孔质量,对4J29合金进行了不同加工参数下的普通钻削和超声振动辅助钻削试验并对钻削轴向力、孔径误差、孔壁粗糙度进行了测量。试验发现:4J29可伐合金在不同加工参数下(切削速度v=0.314～0.942m/s,进给速度f=10～30mm/min),超声振动辅助钻削可降低钻削轴向力,轴向力平均降低35.37N,降幅为18.45%;超声振动辅助钻削可提高制孔精度,孔径误差平均减小17.9μm,降幅为31.5%;超声振动辅助钻削可提高表面质量,对于轮廓算术平均偏差Ra,超声振动辅助钻削使其平均降低了0.4862μm,降幅为28.4%,微观不平度十点高度Rz平均降低了2.4940μm,降幅为20.0%。试验表明超声振动钻削4J29可伐合金比传统钻削加工更具优势,可获得质量更高的加工孔。     

SiCf/SiC陶瓷基复合材料制孔工艺

分别采用机械钻削制孔与激光制孔两种工艺对SiC_f/SiC陶瓷基复合材料进行制孔,对其质量以及工艺特点进行评价分析。结果表明,机械钻削制孔孔径精度较好但存在刀具磨损严重、出现毛刺崩边现象等问题;激光制孔效率较高,但孔存在锥度且因热影响区的存在导致孔的内壁表面出现分层、裂纹等缺陷。     

CFRP/钛合金叠层构件低温钻削的轴向力与成孔质量研究

CFRP和钛合金叠层构件以其优异的性能广泛应用于航空、航天、汽车等领域。二者由于材料加工特性的差异,需要采用不同的钻削工艺参数才能获得满意的加工质量。为保证孔同轴度和加工效率,通常采用同一参数一体钻孔。一体钻孔会导致孔的界面烧伤、复材表面划伤、孔径一致性差等问题。为解决上述问题,提出一种低温钻孔工艺,通过钻削试验,研究低温条件下CFRP/钛合金叠层构件钻孔的轴向力、孔径一致性和表面质量。试验表明,低温条件下CFRP/钛合金叠层构件钻孔的轴向力增加,孔径一致性和表面质量均得到改善,证明了低温下CFRP/钛合金叠层构件一体钻孔的可行性。     

高低频复合振动钻削CFRP/钛合金叠层结构试验

针对碳纤维增强复合材料（CFRP）和钛合金叠层结构在传统钻削过程中切削温度高、加工质量差等问题,基于低频振动钻削和高频（超声）振动钻削的优势,提出了高低频复合振动钻削的加工方法。采用自主研制的高低频复合振动钻削装置,对CFRP/钛合金叠层结构进行了制孔试验,对比研究了普通钻削、超声钻削、低频振动钻削和高低频复合振动钻削4种方式下的切削力、钛合金切屑形貌、切削温度和CFRP孔加工质量。结果表明：4种加工方式中,高低频复合振动钻削的轴向力波动相对较大,切削温度显著降低,产生的钛合金切屑呈不连续扇形且整体尺寸最小,CFRP孔出入口及孔壁的损伤程度最低,显著提高了加工质量,为复合材料叠层结构一体化制孔加工提供了指导意义。     

碳纤维复合材料与钛合金结构制孔工艺研究

针对碳纤维复合材料(CFRP)与钛合金夹层结构钻削中存在的问题,进行了系统的工艺研究.主要从钻入侧的选取、钻削参数、制孔中存在的问题以及大直径孔加工工艺等几个方面进行试验研究,结果表明目前的钻削工艺需要改进.提出了适合实际操作的工艺方法,解决了夹层结构制孔中出现的问题,并对钻削刀具进行分析.     

大飞机翼盒机器人制孔系统集成技术研究

机翼装配是飞机制造中的一个重要环节,其中翼盒装配制孔数量多、质量要求高、工作强度大,因此各种自动化制孔装备陆续登场,活跃在国内外航空制造业的舞台。由于机器人具有高度灵活性,利用机器人对机翼蒙皮壁板装配实施数字化制孔作业,成为现代飞机机翼装配的一个发展方向。本文介绍了一种基于AGV搭载机器人的可移动机翼装配数字化制孔系统,并对这种复合式机器人制孔系统集成技术进行了探索,通过机械系统集成、电控系统集成、软件控制集成实现总体系统集成,从而实现大飞机翼盒机器人制孔系统的自动化、精确化制孔作业。     

双锋角钻头钻削碳纤维增强树脂基复合材料研究

采用双锋角钻头和普通麻花钻对T700碳纤维复合材料(CFRP)进行钻削试验,从钻削轴向力、制孔出口质量和表面粗糙度等方面分析双锋角钻头在不同加工参数下制孔特点,并与普通麻花钻进行对比。试验结果表明:与普通麻花钻对比,双锋角钻头钻削CFRP时钻削轴向力减小约20%,制孔出口质量更好,孔壁的表面粗糙度值减小,体现优异的切削性能更适合CFRP的制孔加工。     

C/E 复合材料“以磨代钻冶制孔工艺

为了提高C/E复合材料构件制孔加工质量,以C/E复合材料为研究对象,提出"以磨代钻"制孔新工艺,并研制了电镀金刚石刀具.与传统硬质合金刀具钻孔工艺进行对比试验,结果表明:金刚石刀具钻削轴向力降低30%-50%、刀具耐用度提高3-5倍、缺陷显著减少,更适合C/E复合材料钻孔加工.     

C/E复合材料“以磨代钻”制孔工艺

为了提高C/E复合材料构件制孔加工质量,以C/E复合材料为研究对象,提出"以磨代钻"制孔新工艺,并研制了电镀金刚石刀具。与传统硬质合金刀具钻孔工艺进行对比试验,结果表明:金刚石刀具钻削轴向力降低30%-50%、刀具耐用度提高3-5倍、缺陷显著减少,更适合C/E复合材料钻孔加工。