面向航空发动机整体叶盘的机器人柔顺磨抛力控及工艺优化方法研究

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航空发动机整体叶盘的磨抛加工是保证其表面质量的关键工序。现有机器人磨抛末端执行器的高刚度特性容易造成力控的失稳,力控制精度较低;同时,恒定接触力磨抛方式,对于曲率变化较大的叶片型面和进排气边,在不同位置处的材料去除差异性较大,容易导致过抛或者欠抛等问题。针对以上问题,本文从整体叶盘的机器人磨抛系统搭建、串联弹性执行器的动力学建模和稳定性分析、柔性磨抛的材料去除模型、力-位-速度协同工艺规划四个方面展开研究。(1)搭建了整体叶盘的机器人磨抛系统。为了实现整体叶盘高质量的机器人磨抛加工,提出了一种机器人夹持SEA末端执行器的方案,相较于传统的机器人夹持高刚度末端执行器,可以增加力控的柔顺性,提高了末端执行器的力控磨抛精度。(2)完成了串联弹性执行器的动力学建模及其稳定性分析,同时设计接触力控制算法。根据设计的SEA末端执行器完成了其动力学建模,同时分析了柔性元件的刚度系数ks和接触刚度系数ke对于系统稳定性的影响;设计了接触力控制算法,并完成了恒力和变力的跟踪控制实验验证,力控制误差在?0.5 N以内。(3)建立了柔性磨抛的材料去除模型。基于Preston方程和赫兹接触理论实现了对目标接触点的材料去除建模;采用赫兹接触理论与有限元方法相结合的手段,在接触区域中沿接触轮轴向方向上引入了误差补偿项,接触区域的平均误差值从?0.15MPa减小到?0.05MPa。最后,采用单因素和多因素组合磨抛实验,验证了所提出的材料去除模型的准确性。(4)开展了“力-位-速度”协同工艺规划及其实验验证。根据建立的材料去除模型和机器人进给驱动系统的约束条件,以提高磨抛加工效率为目标,规划磨抛刀具路径的进给速度和接触力大小。结果表明,所提出的方法,相较于恒速磨抛的效率提高了52.02%,相较于恒定接触力磨抛的最大轮廓误差从16um降低到5um。
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