机器人多轴铣削刀尖频响快速预测及颤振稳定性分析

摘要

采用工业机器人进行大型曲面零件铣削加工，不仅可以提高制造自动化水平，而且对于降低曲面零件制造成本效果显著。工业机器人一般采用串联式悬臂结构，其动态特性位姿依赖明显，导致在铣削加工不同加工区域颤振稳定性极限变化较大。通过建立机器人铣削系统刀尖频响预测模型与多轴铣削稳定性模型，分析不同参数对机器人铣削稳定性的影响，可以为大型曲面零件机器人铣削加工参数优化提供理论指导。 机器人操作臂在不同位姿下末端频响变化明显，针对该问题提出了基于二叉树的RCSA机器人操作臂末端频响预测模型。基于RCSA理论分析了单转动关节机械臂末端频响耦合模型，推导出了任意姿态频响加权模型，提出了基于最小二乘的机械臂任意姿态模态参数预测模型，并给出了模态参数标准化方程，最后根据满二叉树排列方式以及分层求解思想给出了多轴机器人机械臂频响预测模型。 根据加工要求机器人铣削系统经常更换刀具，为了预测不同刀柄-刀具组合随机器人姿态变化的刀尖频响，将机器人铣削系统划分为机器人-主轴-刀柄子结构与刀具子结构两部分。通过多轴机器人机械臂频响预测模型计算机器人-主轴-刀柄子结构频响，在Timoshenko梁有限元理论基础上利用粒子群优化算法辨识出刀具材料参数，根据IRCSA方法辨识出柔性结合部动力学参数，并再次根据RCSA理论组集得到机器人铣削系统不同姿态下的刀尖频响。通过机器人-主轴-刀柄频响预测实验与机器人-主轴-刀柄-刀具频响预测实验对上述理论进行了实验验证。 针对机器人铣削稳定性受刀轴矢量与冗余角影响显著的特点，建立了考虑机器人铣削系统冗余角与进给方向的机器人铣削多轴稳定性模型。由于圆刀片式环形刀多轴铣削切触区域计算复杂，给出了利用特征线、交线与投影线判断切触区域的方法，推导了多轴铣削动态切厚的解析表达式。针对加工稳定性全离散法（FDM）计算效率较低的问题，在不考虑“孤岛效应”的条件下提出了基于历史数据的多轴铣削稳定性边界快速全离散法（FFDM），计算效率得到了显著提高。以船用螺旋桨为加工对象，分析了刀轴矢量、冗余角对机器人多轴铣削稳定性的影响，通过机器人铣削稳定性实验验证了机器人多轴铣削稳定性模型的正确性，为船用螺旋桨机器人铣削加工参数优选提高了理论指导。

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