考虑关节柔性的机器人制孔过程动力学仿真

工业机器人大多是由一系列连杆通过关节串联在一起的结构,因此刚性不足。进行制孔时,机器人容易受到切削力的作用产生振颤,影响到制孔精度。为进行机器人制孔过程动力学仿真,考虑机器人关节的柔性,将其简化成有刚度、阻尼的线性扭转弹簧,建立机器人动力学模型;采用数学分析和经验结合的方法,建立标准麻花钻的钻削力预测模型。以钻削力为末端外载荷,将两种模型联合,进行Simulink仿真。仅考虑制孔系统末端在钻头进给方向的动态变化,其导致进给量、钻削力的动态变化,这些将对机器人系统以及制孔质量产生影响。在某一位姿进行仿真,不同的钻削速度将会产生不同形式的关节变形以及钻削力变化,进而推测制孔系统振动效应,对提高机器人系统稳定性,提高制孔质量和精度有一定指导意义。     

轴向低频振动对皮质骨钻削进给力的影响试验与分析

为了研究轴向低频振动辅助钻削方式在皮质骨钻削过程中对进给力的影响,对全钻头和横刃部分进给力进行了对比试验,并对切削刃切削单元的运动学和瞬时加工过程进行了分析。对比试验结果表明：在相同的钻削参数下,与常规方式相比,轴向低频振动钻削方式的全钻头进给力最大可减小约60%,横刃部分进给力可减小60%～80%。依据运动学分析和典型骨屑形态对比可以得出：在特定的钻削参数和振动参数配合下,轴向低频振动钻削方式可以实现钻头-工件周期性分离运动,显著影响瞬态加工过程,是进给力显著减小的主要原因之一。     

轴向低频振动辅助皮质骨钻削的钻削力和温升

为了研究轴向低频振动钻削方式在皮质骨钻削中对钻削力和温升的影响,基于一种自主研发的低频振动钻削设备,对常规和轴向低频振动辅助皮质骨钻削的钻削力和温升进行了实验,建立了钻削力和产热速率模型.实验结果表明:轴向低频振动钻削方式的进给力和转矩明显减小,温升降低了3～5℃;通过统计方法确定主轴转速是影响钻削力和温升的最显著因素...     

304不锈钢的超声振动辅助微孔钻削试验研究

通过304不锈钢的100μm微孔超声辅助钻削试验,研究了超声振动辅助钻削的理论未变形钻削厚度,钻削轴向力与加工参数的关系,孔壁的表面质量,微孔入口处的毛刺以及加工后钻头刃部的状态,结果表明:超声振动辅助钻削在入钻后为连续切削;超声振动辅助可以明显改善微孔表面质量和入口处毛刺的尺寸,减小钻头刃部积屑馏的形成;钻削轴向力随进给速度和单次钻削深度的增加而增大,随主轴转速的升高而减小。     

基于有限元分析的皮质骨钻削力的研究

基于ABAQUS,通过选择合理的切屑分离准则、网格划分技术和网格划分算法,设置合理的边界条件和单元类型等,建立了普通麻花钻钻削皮质骨的有限元仿真模型。通过中心复合试验,研究了钻削力与钻头直径、转速和进给速度的关系。仿真结果表明:在一定范围内,随着钻头直径和进给速度的增大,钻削力增大;随着转速的增加,钻削力减小。本研究为临床骨钻削手术提供理论指导,并且对优化刀具结构、确定合理的切削用量、降低加工成本具有现实意义。     

两种钻头高速钻削碳纤维复合材料时的钻削力与钻削温度对比

采用金刚石涂层钻头和硬质合金麻花钻头对单向T800碳纤维复合材料进行高速钻削试验,对比分析了两种钻头在不同转速和进给速度下钻削时的钻削力与钻削温度,并研究了钻削力对制孔质量的影响。结果表明:高转速、低进给速度能有效提高孔的加工质量;在相同加工参数下,与硬质合金麻花钻头相比,用金刚石涂层钻头钻削时,钻削轴向力减小40%,钻削温度至少降低17%,更适合钻削碳纤维复合材料。     

碳纤维增强复合板钻削工艺的有限元建模研究

为探究碳纤维增强复合材料(Carbon Fiber Reinforced Polymer, CFRP)钻削加工缺陷形成原因以及工艺参数对钻削质量影响规律,基于改进的Hashin模型建立了复合板材纤维相和基体相的材料本构模型及损伤失效模型,并将其编写为VUMAT用户自定义材料子程序嵌入到CFRP复合板材钻削有限元模型,分析了纤维取向、钻头外形、钻头进给速率以及钻头转速对钻削质量与钻削力的影响。研究结果表明:使碳纤维取向多样化可提高钻削质量和板材强度;相较于标准直柄钻头和螺旋线钻头,锥头直柄钻头具有更优异的钻削性能;当纤维取向和钻头外形一定时,采用较低钻头进给速率和适中钻头转速可在一定程度上提高钻削质量。     

基于Deform-3D钻削加工三维有限元仿真

用Deform-3D对麻花钻钻削过程进行仿真研究,建立麻花钻钻削的三维有限元模型,用正交实验的设计方法分析了钻头直径、进给速度和主轴转速等因素对钻削力的影响,并得到了钻削温度的分布规律以及主轴转速对钻削温度的影响。     

GFRP/铝合金叠层结构钻削力和分层研究

玻璃纤维增强复合材料(Glass Fiber Reinforced Plastics, GFRP)具有质量轻、比强度高和耐腐蚀等优异性能,广泛应用于航空航天制造领域。为了研究GFRP/铝合金叠层结构制孔时的轴向力和分层特征,开展GFRP/铝合金叠层结构钻削试验,分析主轴转速和进给速度对GFRP/铝合金叠层结构钻削力和分层特征的影响。研究结果表明,钻削力随着主轴转速的增大而减小,随着进给速度的增大而增大,建立了钻削力经验模型,实测值与理论值误差控制在3%以内,对预测钻削力提供了理论依据。主轴转速越低,进给速度越高,分层特征越明显,高转速低进给有利于减少分层并改善加工质量。     

沟槽型表面微织构麻花钻的钻削性能仿真

刀具表面置入微织构能够有效提高刀具切削性能和减小刀具磨损。针对麻花钻磨损严重问题,在麻花钻的前刀面刀—屑接触区域设计沟槽型表面微织构,利用Deform-3D软件建立表面微织构麻花钻钻削45钢的三维仿真模型,并研究沟槽宽度和间距对表面微织构麻花钻的钻削性能影响和作用机理。仿真结果表明:表面微织构的置入能够有效降低钻削力和减少钻头磨损,并改善麻花钻前刀面的最大温度分布,避免了最大温度的集中;当沟槽宽度增加时,钻削力呈先减小后增加的趋势;当微织构沟槽间距减小时,刀—屑接触区域内起作用的微织构数量增多,钻削力、钻削温度和钻头磨损呈减小趋势。     

采用BP神经网络预测碳纤维增强树脂基复合材料的钻削力

采用双锋角钻头对碳纤维复合材料进行钻削试验,基于反向传播算法的人工神经网络建立钻削轴向力与主轴转速、进给速度之间的非线性关系模型,对比分析三种不同第二主切削刃与第一主切削刃之比的双锋角钻头在试验加工参数下钻削轴向力变化规律。结果表明:与多元线性回归预测模型对比,在相同试验数据为基础的预测计算下,BP神经网络预测值相对误差明显减小,网络预测值误差均在3%之内,而多元线性回归模型最大误差值达到了12.46%,BP神经网络能建立更精准轴向力预测模型。从降低钻削轴向力的角度分析,应采用第二主切削刃与第一主切削刃之比为1的双锋角钻头进行钻削加工。     

车用TiC4板超声振动辅助钻削动力学及钻孔过程试验

为了提高汽车轻量化所用钛合金的钻削质量,以TiC4合金板为例,开展超声振动辅助钻削动力学及钻孔过程试验研究。构建了动力学模型并完成各项参数的估计,完成模型的超声振动测试。动力学试验结果表明：当系统到达钻削阶段时,形成了相应的倍频。钻头除了存在沿自身匀速旋转运动以外,还沿进给方向形成了明显的简谐激振力,从而产生了而具有周期性的切削厚度。按照设定进给速度与主轴转速参数,对钛合金工件实施钻孔测试。钻孔试验结果表明：设置轴向振动之后,轴向力明显的下降,且变化更为平稳。超声振动方式能够增强钻头切削能力,促进断屑并快速排出,由此获得稳定的钻削效果。该研究对提高钛合金板的钻削质量具有很好的实际应用价值,易于推广实现。     

基于专家PID的钻削优化控制方法研究

针对钻削过程中轴向力突变和波动造成钻削刀具磨损过快的问题,首先以Cortex-A9微处理器和嵌入式LINUX系统为核心,建立了基于高速钢麻花钻的钻削控制系统;然后利用自主设计的钻削测力仪监测钻削力工况信号,并通过信号放大滤波和离散量化等方法,获取实时的钻削轴向力数据;最后利用专家PID控制算法实现钻削过程的自适应控制,通过对钻削进给电机速度的实时控制,减小钻削过程中的轴向力波动.对比实验的结果表明,专家PID控制算法可以显著提高轴向力稳定性,并有效地保护钻削刀具.     

钻削毛刺形成机理及其控制技术研究

建立了钻削加工中进给方向毛刺的形成模型,并对钻削加工过程中出现的毛刺类型进行了归类和分析,指出影响进给方向毛刺形成与变化的主要因素。通过钻削加工试验与相应的理论分析,系统揭示出毛刺出现、形成及变化发展的基本规律,进而开发出工件叠加钻削法、钻削用量优选法、钻头参数优化法、钻头结构优改法和工件终端部材料强化法等一系列减少和抑制钻削进给方向毛刺的技术和方法,为进一步提高钻削效率和钻削加工质量开辟了新路径。     

轴向振动钻削对进给方向毛刺形成的影响

基于轴向振动辅助钻削原理,探讨了振动钻削对切出进给方向毛刺的影响。结果表明:由于施加轴向振动的作用,钻削加工中出现了脉冲和变厚钻削的过程,改善了钻削过程中的切屑的断屑条件,降低了轴向钻削力,从而减小了切削层材料的塑性变形,抑制了切出进给方向毛刺。     

超声波正弦振动微孔加工系统及孔壁特性

介绍了超声波正弦振动微孔加工系统,分析了刀具进给正弦运动轨迹,以保证刀具和工件之间的相对接触位置,搭建了超声波正弦振动微孔加工试验,优化测试钻削力,并确定了最优工作参数:微钻头转速25000r/min、微钻头进给速度10mm/min和单次钻削深度20μm。对比超声波正弦振动加工和高速钻削加工的微孔形貌、孔扩量以及剖面的孔壁形貌,证明超声波正弦振动微孔加工的精度明显优于高速钻削加工。     

CFRP/Ti叠层材料的钻削力变化趋势及振动特性

为了研究钻削参数对CFRP/Ti叠层材料钻削力的影响及钻削过程中的振动特性,采用正交试验的方法对叠层材料进行了一体化钻削试验。采用测力仪对加工过程中的钻削力进行测量,并通过对钻削力的分析,研究了钻削过程中的振动特性。结果表明,扭矩和轴向力随主轴转速升高而减小,随进给速度的升高而增大,且进给速度对钻削力的影响强于主轴转速对其的影响。加工过程中取较高的主轴转速,较低的进给速度将保证孔的加工质量。在CFRP/Ti叠层材料加工过程中,加工至两材料接触面的位置时,存在剧烈的切削振动现象。     

微细钻头超声轴向振动钻入横向偏移的有限元分析

利用有限元技术对微细钻头超声轴向振动钻入横向偏移过程进行深入分析。结果表明,超声轴向振动钻削从根本上改变了普通钻削的钻入机理,减小了横向偏移量,提高了钻入定心精度,特别适合硬脆材料上的微小孔的精密和超精密加工。     

柔性多关节移动机器人末端残余振动控制研究

针对目前柔性多关节移动机器人末端残余振动控制方法控制跟踪误差大,控制柔顺性差问题,提出一种新的控制方法.通过简化概念模型分析柔性关节,利用确定弹性势能、机械动力、运行轨迹建立柔性多关节移动机器人末端动力学模型.分析信号与关节点之间角度,确定柔性多关节移动机器人末端运动误差,建立误差模型,利用DETMAX算法分析运动参数,实现最小姿态选取,利用运动参数,实现振动控制.研究结果表明,引入运动学参数后,在控制机器人运动过程中会考虑阻抗能力和柔顺性能,机器人以线性系统的方式运行,各关节运动都得以优化,末端残余振动受到有效抑制,跟踪误差得到有效减小,移动机器人关节柔性更好.     

小角度螺旋槽钻头加工复合材料的模拟研究

针对碳纤维复合材料制孔时易产生毛刺、撕裂、分层等难题,首次提出了一种螺旋角为10°且顶角为83°的小角度螺旋槽钻头加工碳纤维复合材料的方法,并进行了钻削过程的有限元模拟分析.给出了主轴转速、进给速度、钻头几何角度等对加工过程中产生的钻削轴向力的影响,对比分析了两种钻头加工碳纤维复合材料的轴向力和加工出口质量.结果表明:复合材料的钻削轴向力受主轴转速的影响大于进给速度,并随主轴转速的增大而减小,随进给速度的增大而增大;同时,小角度螺旋槽钻头加工碳纤维复合材料时产生的轴向力小于麻花钻,破坏区域小,加工质量好,更适合碳纤维复合材料的制孔加工.