机器人精镗飞机交点孔的颤振机理及其稳定切削机制研究

Aircraft intersection holes are important to equilibrium， manoeuvrability and wear life of aircraft.Reaming was used to machining intersection hole with complex fine machining table and forming cutter in traditional aircraft assembly. This old method can not compensate posture error of intersection holes caused by assembly deformation. A new boring technology using industry robot with boring end-effector and pressure foot is proposed to machining high-strength steel and titanium alloy intersection holes in this project. The rigidity of this machining system is poor. To improve machining stability of the industry robot boring system, multi-body coupled and nonlinear model will be studied and contructed to illustrate the dynamic characteristic and chatter mechanism of the system; To achieve machining conditions of basic stability, robot posture optimization based on rigidity and natural frequency will be studied. Boring force model including machining parameters and tool angles will be contructed then. On-line monitoring and forecasting system will be constructed to suppress chatter of the system effectively. The final objective of the projec is to solve the problem of how to meet processing stability, to get a fine machining system and method of machining intersection holes precisely and effectively. This project is of great significance for improving the aircraft assembly ability and defense of our national.

交点孔的加工精度对飞机的平衡性、机动性和疲劳寿命有重要影响。传统飞机装配中采用固定的精加工平台配以成形刀具的方法无法补偿装配变形引起的交点孔位姿误差。本项目提出采用工业机器人携带镗孔终端执行器、压脚构成的弱刚度镗孔系统，对交点孔系进行精镗加工。该多体系统的动力学模型构建及其在交变切削力下的颤振识别与抑制是该课题的最大难题。首先研究机器人镗孔系统多体耦合非线性模型，揭示该系统多体结构动态特性和系统颤振机理，建立该弱刚度系统的动力学模型；进而基于刚度和固有频率优化机器人位姿，构建包含切削参数和刀具参数的机器人镗孔切削力模型，获得机器人稳定镗孔切削条件；提出颤振抑制策略，构建机器人镗孔系统颤振在线监测及预报系统，实现颤振的有效抑制，最终获得机器人稳定镗孔机制和大幅度提高飞机交点孔加工精度的工艺系统，实现难加工材料交点孔的高质、高效加工。该项目对于提升我国飞机制造水平和国防建设都具有重要意义。

飞机上的交点孔对于飞机有至关重要的作用，如起落架安装孔位姿发生偏斜，将导致起落架收放困难。交点孔位姿误差还会引起飞机连接部位的不均匀摩擦和接触应力，造成关键连接部位微动磨损，降低飞机疲劳寿命。为消除零件制造以及部件装配对交点孔位姿造成的误差，在飞机大部件装配完成后需对大部件上的交点孔进行精加工。然而，因为各个交点孔空间分布范围广，装配现场工装设备复杂，操作空间狭小，无法采用数控机床加工。. 本项目采用工业机器人携带镗孔终端执行器，在飞机数字化装配现场对交点孔进行镗孔。工业机器人对飞机装配现场有较强的适应性，可以避开工装和设备到达加工位置。但是工业机器人镗孔存在刚性弱、定位精度低、易振动等难题，难以实现钛合金和高强度钢等难加工材料的稳定加工。. 本项目研究了机器人刚度特性模型，建立了该弱刚度系统的动力学模型，提出了一种可以定量地评价机器人处于某一位姿时刚度大小的性能指标；针对机器人定位精度低，构建了基于激光跟踪仪的机器人位姿自动补偿系统，满足了镗孔位置精度要求；基于刚度优化机器人位姿，构建了包含切削参数和刀具参数的机器人镗孔切削力模型，并建立了机器人镗孔有限元模型，获得机器人稳定镗孔切削条件；提出了基于末端执行器压脚和机器人镗孔系统固有频率的颤振抑制策略，构建了机器人镗孔系统颤振在线检测即预报方法，实现颤振的有效抑制；最终获得机器人稳定镗孔机制，实现了高强度钢、钛合金等难加工材料交点孔的高质高效加工。在以上研究的基础上，本项目又进一步研究了机器人孔口倒角和正反镗削对机器人振动及加工质量的影响。成功解决了运-20中机身40~70mm孔径、难加工不锈钢起落架装配交点孔的加工，表面粗糙度达到Ra0.8μm，位置精度0.2mm/4000mm。. 本项目发表EI收录论文5篇，发表SCI 收录论文8篇，全部为第一标注，授权国家发明专利2项，软件著作权1项，获得中国机械科学技术一等奖一项（作为其中的一项技术），培养毕业博士生2名，毕业硕士生5名。