碳纤维复合材料的机器人自动化制孔技术研究

摘要

飞机数字化装配由于其高效率、高精度、节省人力成本等特点，成为当今航空制造业的发展方向，作为飞机数字化装配中最重要的环节，飞机连接孔的加工质量对飞机疲劳寿命具有关键性的影响。机器人自动化制孔系统由于其高度自动化、适应性强和高集成度等优势，搭配激光跟踪仪测量系统、移动平台和终端执行器等设备，能够实现航空材料高效率、高精度制孔，逐渐成为飞机连接孔加工的最佳解决方案，具有重大的工程应用价值。从航空材料的发展来看，碳纤维复合材料逐渐取代传统金属材料，越来越多地用作飞机结构件，由于碳纤维复合材料的物理性能和机械加工性能与金属材料有较大差别，因此其高精度加工工艺也是航空材料加工中的一个研究方向。本文结合重大国防军工项目，构建了一套用于加工飞机机翼碳纤维复合材料的机器人自动化制孔系统，并验证了该系统应用于实际工程的可行性。全文共分5章，基于机器人自动化制孔系统，对系统架构、加工流程、定位实现及碳纤维复合材料的机器人制孔工艺进行研究。第一章介绍了孔加工对于飞机装配的重要性，引出了本文研究的机器人自动化制孔系统及其关键技术，同时介绍了碳纤维复合材料在航空制造业中的应用及国内外对于碳纤维复合材料制孔的研究现状。第二章对机器人自动化制孔系统的硬件、软件及其工作原理进行分析，并形成了一套机器人制孔的工作流程，为实现飞机机翼碳纤维复合材料自动化制孔奠定了基础。第三章主要研究了机器人自动化制孔系统的高精度定位实现及偏差修正理论，从机器人制孔系统各坐标系关系的建立、机器人运动精度及加工路径规划、位置偏差修正、法向偏差修正等方面进行研究，实现了机器人制孔系统高精度的定位。第四章对碳纤维复合材料的机器人制孔关键工艺进行研究，分别从压脚压力、加工工艺参数、钻削轴向力及刀具磨损等方面进行分析，形成了一套合理的制孔工艺方案，验证了机器人加工碳纤维复合材料的可行性。第五章进行总结和展望，提出目前机器人自动化制孔方面存在的问题和不足，及对该项技术的未来发展方向进行展望。

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摘要

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第1章 绪论

1．1 引言

1．2 机器人自动化制孔技术

1．2．1 机器人自动化制孔系统在航空制造业的发展现状

1．2．2 机器人自动化制孔系统关键技术

1．2．3 机器人自动化制孔系统存在的主要问题

1．3 碳纤维复合材料钻削研究现状

1．3．1 碳纤维复合材料的性能及优点

1．3．2 碳纤维复合材料的缺陷

1．3．3 碳纤维复合材料钻削国内外研究现状

1．4 论文选题背景、意义、内容及总体框架

1．4．1 论文的背景和意义

1．4．2 论文的研究内容和总体框架

第2章 机器人自动化制孔试验系统

2．1 机器人制孔试验系统各组成部分

2．1．1 工业机器人

2．1．2 机器人移动平台

2．1．3 激光跟踪仪测量系统

2．1．4 机器人制孔终端执行器

2．1．5 离线编程及仿真系统

2．2 机器人自动化制孔系统工作流程

2．2．1 前期准备阶段

2．2．2 移动和定位阶段

2．2．3 机器人自动化制孔加工阶段

2．3 本章小结

第3章 机器人制孔定位实现及误差补偿

3．1 机器人制孔试验系统各坐标系建立

3．1．1 激光跟踪仪(Laser)坐标系

3．1．2 工件坐标系

3．1．3 机器人法兰坐标系Tool0

3．1．4 工具坐标系Tool1

3．1．5 机器人Base坐标系

3．1．6 各坐标系转换关系的建立

3．2 机器人运动精度研究

3．2．1 机器人分辨率

3．2．2 机器人回程间隙

3．2．3 加工路径规划

3．3 机器人制孔位置偏差修正

3．3．1 机器人视觉系统的标定

3．3．2 位置偏差修正原理

3．4 机器人制孔法向调整

3．4．1 法向调整系统工作原理

3．4．2 法向调整试验

3．5 本章小结

第4章 碳纤维复合材料机器人制孔工艺研究

4．1 压脚压强对制孔质量的影响

4．1．1 压脚系统的作用

4．1．2 压脚压强试验

4．2 加工工艺参数对钻削轴向力及制孔质量的影响

4．2．1 工艺参数试验

4．2．2 工艺参数对制孔质量的影响

4．3 钻削力经验公式的建立

4．3．1 钻削力经验公式模型

4．3．2 正交试验建立钻削轴向力经验公式

4．3．3 回归方程的显著性检验

4．4 刀具磨损研究

4．4．1 刀具磨损形式

4．4．2 刀具磨损原因及磨钝标准

4．4．3 刀具磨损试验

4．4．4 刀具磨损对制孔质量的影响

4．5 本章小结

第5章 总结与展望

5．1 总结

5．2 展望

参考文献