外文翻譯-機器人螺旋銑孔運動矢量建模與孔加工表面粗糙度的理論分析

J.Cent.South大學（2013）20：1818年至1824年DOI：10.1007/sll771-013-1678-5機器人螺旋銑孔運動矢量建模與孔加工表面粗糙度的理論分析SHANYi-cai(單以才)，HENing(何寧)，LILiang(李亮)，ZHAOwei(趙威)，YANGYin-fei(楊吟飛)1南京航空航天大學機電工程學院，南京210016，中國;;2南京信息技術學院，南京210046，中國◎中南工業(yè)大學出版社和施普林格出版社柏林海德堡2013摘要：為了避免過多的軸向力的故障，在復雜的流程和頻繁換刀鉆孔機器出現的問題，新的制孔技術（即螺旋銑孔）中引入了設計一種新的機器人螺旋銑孔系統(tǒng)。這可能會進一步提高機器人的銑孔，在飛機數字化裝配能力。分析螺旋銑孔的特點后，總結兩個典型的機器人螺旋銑孔系統(tǒng)的優(yōu)點和局限性。然后，在矢量分析法上建立螺旋銑孔運動矢量模型。最后，表面粗糙度的計算公式是根據螺旋銑孔的運動原理，那么的主影響推導對表面粗糙度工藝參數進行了分析。分析表明，孔理論表面粗糙度變窮人的工具速比和公轉半徑的增加。與此同時，粗糙度根據工具的增加而減小齒數。這項研究大大有助于粗糙度預測模型的螺旋銑孔加工。關鍵詞：螺旋銑孔;機器人制孔系統(tǒng)，矢量建模;理論表面粗糙度1引言隨著成功研制國內區(qū)域的航空公司ARJ.700和大飛機C919，更多的關注都集中在如何提高質量和裝配孔的效率，在平面最終組裝階段[1-2]。由于這種優(yōu)點自動化程度高，良好的柔韌性和低成本，由于這些優(yōu)點，自動化程度高，柔韌性好，成本低，在大型和超大型飛機中機器人制孔系統(tǒng)正逐漸成為未來智能化的主要技術。為了滿足高效和精確的孔制定的要求，新的機械手制孔系統(tǒng)相繼出現。目前，常用的技術是關節(jié)機器人鉆孔技術。是考慮在低剛性和差承載力的串聯機械手固有的缺陷，本鉆孔系統(tǒng)的應用受到限制。近日，波音和Electroimpact公司聯合開發(fā)的靈活的軌道自動送鉆系統(tǒng)，其中真空吸盤吸附在工件表面上實現鉆孔?，F在，鉆井系統(tǒng)已經成功應用在波音787，波音777和A380上。西班牙M.Torres公司設計了爬壁機器人自動鉆孔系統(tǒng)。在這個系統(tǒng)中，鉆孔裝置安裝在機器人上在真空卡盤上完成吸附功能。所以，可避免特殊輔助工具。由于上述系統(tǒng)都使用真空吸附技術，這兩個鉆孔系統(tǒng)無法適應大的軸向力的場合。因此，這兩個系統(tǒng)僅在小孔使用。隨著航空部件制成的大洞的不斷增加難切削材料（尤其是鈦合金，碳纖維增強復合材料和高強度航空鋁合金），迫切需要開發(fā)高效率，高精度的新鉆孔系統(tǒng)[5-7]。螺旋銑孔（即軌道銑孔），是新技術，它利用研磨的方式來實現打孔.T001運動技術常規(guī)鉆孔的不是一個簡單的組合和銑削，但是三維螺桿的相對運動刀具和工件。螺旋銑孔的過程包括圍繞刀具的刀具旋轉軸三個動作，刀具軸向進給，刀具圍繞孔的軸線公轉。該技術可以使不同的孔不斷變化的工具，位置精度，幾何精度和表面粗糙度變化的工具，滿足需求[8-9]。因此，新的機器人制孔系統(tǒng)基于螺旋銑孔技術具有廣闊的應用前景，在航空，航天領域和造船等[10-13]。然而，在切割過程機器人螺旋銑孔一直沒有深研究。在這項工作中，機器人螺旋的造型矢量銑孔是在孔理論上的表面粗糙度進行建立和深入研究的。2螺旋銑孔的特點和基于兩個典型的加工方法關節(jié)機器人2.1螺旋銑孔的特性螺旋銑孔的原理如圖1所示[14]。在螺旋銑孔，主運動是刀具的高速旋轉和進給運動是相對于工件的刀具的螺旋進給。該進給運動是刀具和工件之間的公轉進給組合運動和軸向進給。因此，螺旋銑孔有以下特點：工件螺旋路徑刀具：進給在軸線方向：刀具旋轉速度：刀具轉速孔中心線刀具中心線：刀具旋轉半徑工件螺旋路徑刀具：進給在軸線方向：刀具旋轉速度：刀具轉速孔中心線刀具中心線：刀具旋轉半徑圖1螺旋銑孔的示意圖1）由于旋轉半徑存在，孔直徑是由刀具直徑和旋轉半徑來確定。所以，銑孔技術具有良好的彈性。2）旋轉半徑可在線路進行調整。因此，螺旋銑削不僅可生成圓柱孔和圓錐孔，而且有正確的位置誤差。此外，它提高了孔的加工精度。3）不連續(xù)的螺旋銑削實現短暫切屑，

這有助于實現自動排屑和提高孔的質量。4）不連續(xù)的螺旋銑削要保證刀具足夠的冷卻時間。同時，較小的刀具直徑有助于受熱刀具的耗散。這樣，刀具具有在低的溫度加工。5）相對于傳統(tǒng)的鉆孔，螺旋銑孔大大降低軸向力。因此，該研磨方法是適用于制造精確的硬質固化材料的孔。2.2兩種典型的加工方法據螺旋送進的實現形式，機器人螺旋銑孔有兩種典型的加工方法。在第一加工方法。螺旋送進是通過刀具軸向進給和工件旋轉實現。如圖2所示（一）。另一種方法使用刀具的軸向進給和工具的公轉，實現螺旋銑削，原理示于圖2（b）。工件末端執(zhí)行單元機器人工件末端執(zhí)行單元工件末端執(zhí)行單元機器人工件末端執(zhí)行單元B圖2兩種典型的加工方法螺旋銑削保持（一）工件運動插值;（二）工具轉在圖2（a）中，兩個線性運動的插值實現工件旋轉。為了保證良好的精度，這種加工方法在處理上有較高的進給驅動加速度，剛度和硬度要求的特性。因此，世界各地的學者們通常會選擇螺旋銑孔，通常選用世界各地高速精密加工中心。由于螺旋送進是由工件裝載平臺和主軸完成的，螺旋研磨孔的過程中很容易實現。然而，工件體積由裝載平臺的尺寸的限制。在圖2（b）所示，通過刀具公轉完成圍繞孔的軸線。第二種加工方法可以避免由于插值的加工誤差運動。為主軸實現旋轉，軸向進給并同時公轉，不必調整工件的嵌入姿勢。因此，第二方法是很適合于在大和超大型工件的自動制孔制造。但是，它需要復雜的運動機構。3機器人螺旋銑削孔矢量模型3.1機器人螺旋銑削系統(tǒng)工作流程機器人螺旋磨邊系統(tǒng)主要由機器人平臺，末端執(zhí)行器的制孔，自動測量設備尋求孔標記點和控制平臺。末端執(zhí)行器和自動測量裝置安裝在機器人平臺。螺旋磨邊之前，末端執(zhí)行器是由機器人平臺的自動測量設備的引導下發(fā)送到特定位置。用于確定所述孔標記點的檢測算法在參考文獻中所示。[5]。在結束時，端部執(zhí)行器是實現螺旋磨邊的運動。機器人螺旋磨邊系統(tǒng)的工作過程中顯示如圖3所示。3.2工件運動插值與螺旋銑孔的矢量模型雖然已經提出進行了深入研究螺旋銑削孔的運動學，運動矢量模型的研究，目前仍然缺乏。開發(fā)基于螺旋銑削技術的機器人制孔系統(tǒng)，矢量方程應該找到來形容螺旋銑削孔的運動。因此，從根本上矢量模型需要在空間中的坐標系統(tǒng)來建立。圖4給出了當工件移動螺旋銑孔的基本矢量模型。為了易于學習，工件插補運動取代有工件旋轉。根據由自動測量設備檢測出的孔標記點的姿勢，一個新的絕對坐標系統(tǒng)被建立在模型中。這兩個相對坐標系和除z外，都涉及到工件上。這兩個坐標系的平移和旋轉坐標系統(tǒng)標注孔點與末端執(zhí)行器之間。相關刀具相對坐標系刀具的軸向進給坐標系和刀具旋轉坐標系。編譯坐標系統(tǒng)由的沿向量和的平移形成。在，的原點由刀具軸向進給矢量描述。該刀具旋轉載體描述加工運動過程中切削刃的位置向量。切削刃在的位置矢量通過刀具軸向進給向量，刀具旋轉矢量和兩個軸向偏差向量和的合成。---孔數---刀具直徑---孔直徑結束螺旋銑孔調整換刀手眼校準步入制作孔的工作狀態(tài)末端執(zhí)行器姿勢調整結束機器人移動到在測試點---孔數---刀具直徑---孔直徑結束螺旋銑孔調整換刀手眼校準步入制作孔的工作狀態(tài)末端執(zhí)行器姿勢調整結束機器人移動到在測試點刀具中心點校準大型工件孔位置標記點圖3機器人螺旋銑孔工作進程圖4螺旋銑孔矢量模型與工件的運動插值在圖4中，刀具由逆時針旋轉在上的刀具旋轉矢量被表示為兩個軸向偏差矢量顯示在如下：其中是刀具安全高度。從中的轉換矩陣被給定為其中，表示軸向進給距離時工件公轉了一圈。是工件轉速。表示工件的旋轉角度。當轉換到需要新的平移矩陣：從轉換矩陣由描述其中是工件旋轉角度。中的前沿位置矢量P是獲得：上述表達式是當工件使螺旋銑孔插補運動基本矢量模型。3.3刀具螺旋銑孔公轉的矢量模型在圖2（b）中，沒有必要調整工件在構成螺旋銑孔。因此，向量模型與工具公轉螺旋銑孔是建立在圖5。在這種模式下，一個新的絕對坐標系值也建立了基于孔的位置機器人標志點坐標系｛｝。的原點是孔標記點。末端執(zhí)行器的工作協(xié)調制度的建立，為了滿足相關需求端之間位置效應和標記點。其他三個相對坐標系統(tǒng)刀具公轉坐標系統(tǒng)中，刀具軸向進給坐標系統(tǒng)，和刀具旋轉坐標系統(tǒng)。在時，為原點是由刀具安全高度的矢量描述。該工具公轉矢量E描述的合原點。刀具軸向進給矢量和旋轉載體對應于在圖4所示的矢量和。我們定義數作為切削刃在的位置矢量。這里，是四個矢量作為，，和的組合。圖5螺旋銑孔刀具公轉矢量模型從到的變換矩陣給出當轉換到，新需要平移變換矩陣：來自的變換矩陣為被描述為公式（8）

從轉換矩陣被描述為式（9）中的前沿位置矢量是表示為表達(10)是螺旋的基本矢量模型銑孔與刀具公轉。4計算和孔表面的分析粗糙度在螺旋銑孔的過程中，孔表面粗糙度Rz直接影響磨損性，耐疲勞性，和應力腐蝕的工件特征抵抗性。因此，高度重視應該對表面粗糙度。根據刀具運動原理，可以在孔表面粗糙度進行理論分析。圖6示出用于計算孔表面的模型粗糙度。當刀具旋轉一個齒，刀具旋轉角度是其中Z是刀具齒數，是刀具的變速比自轉和刀具公轉。從圖6中，孔表面粗糙度Rz表示如中，表示從點到點的距離，其被描述為當代方程（11）和式（13）成等式（12），我們獲得以下公式：軌道刀具中心點孔第i刀具路徑工件軌道刀具中心點孔第i刀具路徑工件第（i+1）個刀具路徑圖6孔表面粗糙度理論計算模型孔表面粗糙度圖6理論計算模型等式（14）是表面的理論公式粗糙度螺旋銑孔。粗糙度是由刀具齒數，刀具直徑，旋轉速度。轉速和公轉半徑幾個參數來確定。當刀具直徑為12mm和孔徑為23毫米，在圖7中示出的是表面粗糙度與刀具齒數和速度比的關系。表面刀具牙齒和速比的降低粗糙度增大。在這里，刀具齒數對表面粗糙度的影響明顯。兩個參數對孔表面粗糙度低傳動比和小刀具數加工尤其是當顯著的影響。圖8顯示了在三個參數的表面粗糙度，旋轉半徑和速度比，當刀具直徑設置為12毫米刀具牙齒是2的關系。在這里，孔直徑隨刀具旋轉半徑的擴大而增加。在高速率，孔表面粗糙度略有增加。然而，它的變速比明顯減小，變速比越小，更快的孔的表面粗糙度下降。圖9反映了旋轉半徑和轉速比的對表面粗糙度的影響，當不同的工具被用于機器的孔。這里，不同工具的齒數為2，并且所述孔被加工都具有23毫米直徑相同?？梢缘贸龅慕Y論如下：1）當旋轉半徑逐漸增大，孔表面粗糙度如下增加的趨勢;2）在大型旋轉半徑和低轉速比，孔的質量變差。從圖7-9這些結論有很大的在優(yōu)化過程中的控制參數的意義螺旋銑削。刀刃速比刀刃速比圖7為與和的關系（=-23毫米，=12廠）速比旋轉半徑速比旋轉半徑圖8為與和的關系（=12毫米，=2）速比旋轉速比旋轉半徑/毫米圖9為與和的關系（=23毫米，=2）5結論1）根據螺旋銑孔的原理，在機器人的螺旋銑刀兩種典型方法特征進行了討論和機器人的螺旋銑刀的工作過程進行了設計。關于機器人的螺旋銑刀的運動分析后，兩種典型的螺旋研磨方法矢量方程推導出，這有助于實現移動控制螺旋銑孔。2）孔表面粗糙度的分析模型是建立在螺旋銑孔的運動功能內的，

然后切割粗糙度參數的影響研究

該研究給出了在螺旋銑削過程中選擇的刀具齒數，刀具半徑，旋轉半徑和速度比合適的參數很好的借鑒。3）在螺旋銑孔，表面粗糙度也通過切削環(huán)境下切削的類型，以及排屑等的實際過程因素的影響。因此，如何抵御基于理論和實驗的有效組合，精確的粗糙模式將成為一個重要的研究方向。參考文獻：[1]JIANGCheng-yu,WANGJun-biao．KeymanufacturingtechnologiesoflargeaircraftdevelopmentinChina[J]AeronauticalManufacturingTechnology,2009(1)：28—31．(inChinese)[2]POYong,XUGuo—kang,XIAOQing-dong,Automaticprecisiondrillingtechnologyofaircraftstructuralpart[J]AeronauticalManufacmringTechnology,2009,24：61—64．(inChinese)[3]DUBao-mi,FENGZi-ruing,YA0Yan-bin,BIShu-sheng．Robotdrillingsystemforautomaticdrillingofaircraftcomponent[J]AeronauticalManufacturingTechnology,2010(2)：47—50．(inChinese)[4]KEYing-lin,YANGWei—dong,YAOBao-guo,DONGHui-yue.Systemandmethodofcuttingandmachiningbaseonrobotforaircraftassemble：CN,200810121353.1[P]2008-09-26．[5]HENing,LILiang,SHANYi-cai,YANGYin—fei．Automaticwing-bodydockinghole-makingsystemandmethod：CNl01804470B[P]．2012—02—22．[6]ZHOUWan-yong,ZHOUFang,XUEOui-jun,GANLu，DUBao—rLliResearchonautomaticdrillwithfiveaxesforflexibleassemblyofaircraftwingcomponents[J]AeronauticalManufacturingTechnology,2010(2)：44～46．(inChinese)[7]LIANGJie,BIShu-sheng．Effectsofdrillendeffector’smountedmethodontberobotperformance[J]．JoumalofMechanicalEngineering,2010,46(21)：13—18．[8]DENKENAB,BOEHNKED,DEGEJH,HelicalmillingofCFRP-titaninmlayercompounds[J].CIRPJournalofManufacturingScienceandTechnology,2008，1(2)：64—69．[9]IYERR,KOSHY只NGE,Helicalmilling：AnenablingtechnologyforhardmachiningprecisionholesinAIsID2toolsteel[J]InternationalJoumalofMachineTool＆Manufacture，2007．47：205-210．[10]ERJCWHINNEM,DevelopmentanddeploymentoforbitaldrillingatBoeing[C]//AerospaceAutomatedFasteningConferenceandExposition．Toulouse．France，,2006-01-3152．[11]ERJCWHINNEM,GARYLIPCZYNSKI,Developmentoforbitaldrillingfor出eBoeing787[J1．SAEInternationalJournalofAerospace，2009,1(1)：811-816．[12]BENOITMARGUET’FREDERICWIEGERT,OLIVIERLEBAHAR．BERTRANDBRETAGNOL，FAHRIOKCU．EricssonIngv