【摘 要】
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CFRP因有卓越的物理特性被广泛应用于各行业,而在航空工业中许多零件例如:飞机蒙皮、飞机壁板、机翼等都由CFRP薄板组成。CFRP薄板作为与其它零件相互连接的结构件,其连接方式大多以孔为主。因此,保证钻孔质量与钻孔精度十分关键。在工业机器人钻削CFRP薄板过程中,终端执行器与薄板接触刚度差,导致加工时孔位产生振动,在终端执行器前设计压脚可有效解决该问题,压脚作为一种单向压紧装置,极大提高了机器人钻
【基金项目】
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黑龙江省青年科学基金（项目编号:QC2018064）； 黑龙江省普通高等学校青年创新人才培养计划（项目编号:UNPYSCT-2018196）；
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CFRP因有卓越的物理特性被广泛应用于各行业,而在航空工业中许多零件例如:飞机蒙皮、飞机壁板、机翼等都由CFRP薄板组成。CFRP薄板作为与其它零件相互连接的结构件,其连接方式大多以孔为主。因此,保证钻孔质量与钻孔精度十分关键。在工业机器人钻削CFRP薄板过程中,终端执行器与薄板接触刚度差,导致加工时孔位产生振动,在终端执行器前设计压脚可有效解决该问题,压脚作为一种单向压紧装置,极大提高了机器人钻削系统的动刚度。本文以FANUC R2000ic-165F机器人为平台,设计出机器人钻削终端执行器压脚装置,并针对压脚压紧力展开了深入研究,具体研究内容如下:首先,依据CFRP薄板钻孔要求和机器人自动钻孔系统特点,对钻孔终端执行器的各部分功能进行介绍,设计了气动压紧装置,详细分析了压脚压紧力作用原理并利用有限元法验证压脚结构的合理性。为使CFRP薄板不因压脚压紧力过大而产生基体裂纹,对钻削过程中CFRP薄板的受力情况进行应力解析,利用Navier法求解出压脚压紧力取值的许用范围。其次,根据求得的压紧力取值许用范围,对比许用范围内不同压紧力下钻削CFRP薄板的变化规律。对Abaqus进行二次开发,编写出CFRP薄板材料的本构模型,并用VUMAT子程序关联Abaqus,利用多次数值模拟结果,详细分析许用范围内不同压紧力对钻削CFRP薄板质量的影响,得出许用范围内压脚压紧力的推荐值。再次,研究压紧力推荐值作用下的机器人末端变形,建立压紧力约束下的机器人刚度模型,利用解析法求得机器人关节刚度值。运用遗传算法对机器人关节刚度进行优化,得出机器人刚度最佳的加工姿态,通过仿真验证最佳加工姿态的有效性,并补偿该姿态下的机器人末端变形。最后,搭建机器人钻孔实验平台。通过检测钻孔后的孔位表面质量、孔壁粗糙度等,验证压脚压紧力许用范围内推荐值的有效性。通过检测加工孔的位置精度,验证补偿机器人末端受力变形的有效性。
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