集成机器人磨削的定制式假体制作方法研究

影响非骨水泥假体长期稳定的因素是无菌松动,微动和应力遮蔽通过破坏假体近端的骨整合导致假体的无菌松动,而微动和应力遮蔽与假体的力传递相关。定制式假体的设计模型来源于病人股骨的CT数据,它建立了有限元模型与手术模型的一致性,通过有限元模型上的力传递分析,优化假体的设计和假体与髓腔的匹配,控制手术后假体上的力传递,避免假体近端大的微动和应力遮蔽而破坏假体在髓腔中的初期稳定性,促进假体近端的骨整合。针对定制式假体,发展一种新型的集成技术,形成定制式假体设计、有限元分析和制造一体化,特别是采用CAD/CAM/Robot集成技术加工定制式假体,在建立CAM软件空间各单元与机器人工作空间对应各单元一致性基础上,提高了假体的制造精度。仿真和实验结果表明,有限元分析方法可以控制假体上的力传递,机器人磨削柄体的误差小于0.9mm。     

基于CT重建和机器人磨削的个性化假体CAD/CAM方法

人体髋关节髓腔具有个性化的S型形状,现有标准型的直柄股骨假体与病人髓腔形成三点接触,降低了股骨假体与病人髓腔的匹配度。利用猪腿骨的CT数据重建其髓腔的三维模型,将该三维模型作为假体设计模型导入机器人仿真软件进行编程和磨削仿真,并生成机器人磨削程序,利用机器人磨削程序将该假体模型复制到铜棒上。将加工好的假体与猪腿骨髓腔匹配,通过X射线图检测两者匹配情况,利用截取的骨断面测量假体与髓腔断面间的尺寸误差,验证个性化假体设计方法以及机器人磨削个性化假体的可行性。实验结果表明,假体与髓腔完成匹配后,90.84%匹配区域的假体与髓腔的间隙小于1mm。     

机器人加工几何误差建模研究:Ⅰ空间运动链与误差传递

以机器人作为制造装备执行体,集成视觉等智能传感器,实现大型复杂零件小余量磨削/铣削/切边/制孔是智能制造的前沿研究方向之一,目前加工误差难以降低是制约其应用的主要难题.以加工误差降低为主要目标,以机器人、视觉传感器、工件、工具为主要对象,研究视觉引导的机器人加工几何误差建模与精度控制,具体包括:在第Ⅰ部分介绍几何误差建模与参数辨识国内外研究现状,研究机器人加工空间运动链与加工误差度量指标定义,推导静态误差(源于工件/工具位姿误差)定量传递模型与动态误差(源于关节运动学误差/关节弱刚度)定量传递模型;在第Ⅱ部分建立手眼位姿参数、工件位姿参数、工具位姿参数等精确辨识的目标函数与计算方法,在考虑关节运动学误差和弱刚度变形的情况下,提出面向整体误差控制的机器人加工(磨削/铣削/切边/制孔等)位姿优化通用模型.     

叶片进排气边智能磨削检测一体化系统

为了实现对叶片进排气边的高精度、高效率和高一致性的加工与检测,本文在光学扫描测量技术和柔性砂轮自适应磨削技术的基础上,搭建了叶片进排气边智能磨削检测一体化系统。该系统以智能制造的设计理念为核心,包括了在线测量系统、机器人系统、柔性磨削系统和智能制造控制系统等多个子系统。在应用过程中,首先采用光学坐标测量机对叶片进排气边进行快速的数字化测量并建立加工余量模型,然后在磨削专家系统的协调和控制下,利用工业机器人抓取叶片并执行磨削运动和叶片工位传递,最后在柔性砂轮上完成进排气边的自适应磨削加工,从而完成了进排气边的"测量-磨削-测量"的自动化全过程。本文在该系统上进行了叶片进排气边的磨削与检测实验,从而对系统的加工精度及加工方案的可行性进行了验证。实验结果表明,该系统的加工精度和效率能够满足叶片现代化生产的要求,具有很大的现实意义和实际应用价值。     

机器人柔性磨削机床的恒磨削力补偿机构及其动力学分析

介绍了用于机器人柔性磨削系统的柔性砂带磨削机床,提出了恒磨削力补偿机构。分析了机器人柔性砂带磨削机床转位机构实现在线多工位磨削加工的创新设计和恒磨削力补偿机构的原理。建立了恒磨削力补偿机构的运动学、静力学和动力学数学模型,并对其进行了数值仿真。讨论了机器人柔性砂带磨削机床的结构参数对恒磨削力补偿机构的运动学特性和动力学特性的影响,为机器人柔性砂带磨削机床的机械设计和机器人的轨迹规划提供了理论依据。最后,对具有恒磨削力补偿机构的柔性磨床组成的机器人柔性磨削系统进行叶片加工实验,结果表明其加工精度完全满足复杂曲面的高加工精度要求。     

机器人加工在数字化制造中的应用

利用机器人作为测量工具,建立CAM空间与作业空间的映射一致性。利用集成系统结构化的参数,对CAM产生的刀轨迹进行后置处理,生成机器人加工轨迹,从而实现CAD/CAM/Robot集成的数字化编程。针对本体中的几何参数和零位误差,采用静态力控传感器和缩放产品CAD模型的方法,校正和补偿机器人的轨迹误差。集成系统结构化建立后,其石材雕塑不同加工侧的错位误差不超过0.7 mm,采用静态力控传感器和缩放模型的方法,可以有效校正和补偿本体非结构化以及零位误差产生的轨迹误差,其磨削和铣边精度达到0.25 mm。     

基于砂带修形磨削的磨削量影响参数数学模型研究

分析了影响磨削量的主要因素,包括砂带的磨削寿命、砂带线速度、机器人进给速度、浮动梁气压、相邻路径间距、接触轮特性、砂带摆动幅度、磨削液和磨削振动,建立了完整的磨削量与加工参数的数学模型.通过磨削实验分析了影响磨削量的主要因素,机器人砂带磨削系统对机器人进给速度变化的响应有延迟现象,修形磨削时,相邻两磨削点间的距离需要与机器人进给速度变化情况相匹配.根据实验数据对磨削实验进行了拟合建模.得到了砂带寿命数学模型、磨削量和砂带线速度关系模型、磨削量和浮动梁气压关系模型、磨削量和机器人进给速度关系模型.最后,通过力反馈控制进行了修形磨削实验和叶片磨削实验,磨削精度和力控制精度满足设计要求.     

[制造前沿]机器人测量-操作-加工一体化技术研究及其应用

阐述了机器人加工的发展现状与面临的挑战,回顾了机器人测量操作加工一体化所需要的关键技术。以典型的机器人加工过程为例,分析了机器人测量-操作-加工一体化过程中误差的来源,建立了加工误差及其传递模型,并分别计算分析了测量误差、坐标变换误差与机器人执行误差对加工精度的影响。将机器人测量加工一体化方案用于飞机机翼和机身装配垫片的磨削加工,由点云数据得到工业机械臂的加工轨迹和工艺参数规划数据,通过在机械臂末端安装顺应打磨头来消除工件法向的位置误差,实现恒力打磨。实验结果表明,该机器人加工方案能够实现飞机装配垫片的变厚度磨削加工。     

机器人测量-操作-加工一体化技术研究及其应用

阐述了机器人加工的发展现状与面临的挑战,回顾了机器人测量操作加工一体化所需要的关键技术。以典型的机器人加工过程为例,分析了机器人测量-操作-加工一体化过程中误差的来源,建立了加工误差及其传递模型,并分别计算分析了测量误差、坐标变换误差与机器人执行误差对加工精度的影响。将机器人测量加工一体化方案用于飞机机翼和机身装配垫片的磨削加工,由点云数据得到工业机械臂的加工轨迹和工艺参数规划数据,通过在机械臂末端安装顺应打磨头来消除工件法向的位置误差,实现恒力打磨。实验结果表明,该机器人加工方案能够实现飞机装配垫片的变厚度磨削加工。     

曲线磨削受力模型建模研究

曲线磨削常用于高强度模具、刀具等轮廓类零件的加工,属于干式磨削,加工过程中的动态磨削力和零件制造性能密切相关.基于切屑分离准则和材料摩擦属性,对曲线磨削中单颗磨粒的受力状态进行分析,建立曲线磨削单颗磨粒的受力模型.针对曲线磨削圆弧砂轮的加工特点,计算砂轮刀尖轮廓微元磨削力,然后通过整个砂轮刀尖圆弧积分,建立砂轮的整体受力模型.在此基础上,设计了曲线磨削试验,用于确定模型参数,并对所建立的受力模型进行检验.试验结果表明,所建立的受力模型磨削力预测效果良好,理论值和试验值的平均偏差在10％左右.     

铸件切割打磨机器人工作臂关键部件有限元分析

为保证铸件切割打磨机器人工作臂关键部件强度和零件材料选择的合理性,运用ANSYS Workbench软件对铸件切割打磨机器人工作臂关键部件进行静力学分析,有限元分析结果表明:砂轮切削打磨装置进行曲面切削打磨,承受左三向力极限载荷时,最大位移变形量为0.29332mm,发生在打磨头;最大等效应力为85.45MPa,发生在打磨头与打磨头固定位置左上侧,即结构强度和刚度满足砂轮切削打磨装置工作要求,为铸件切割打磨机器人结构设计和强度校核提供了参考。     

机器人加工装备运动学镜像模型建立方法与实验研究

在数字空间建立加工装备的镜像模型是实现智能制造的基础,镜像模型与加工装备构成数字孪生体,从而在数字空间中实现加工装备的加工模拟、仿真与参数优化。利用轴旋转法获得物理机器人各轴轴线及其位型,实现物理机器人几何参数与零位的解耦标定。采用坐标变换法建立物理机器人的运动学方程并利用牛顿迭代法求取运动学逆解。在数字空间中,利用标定的几何参数建立物理机器人的镜像模型,并集成刀轨迹生成与后处理模块。实验结果表明,由数字空间镜像模型生成的加工轨迹,物理机器人不变姿态的加工误差最大值为0.28 mm,机器人变姿态的加工误差范围为-0.83～+0.52 mm。     

A new force distribution calculation model for high-quality production processes

Industrial robots have been introduced to the belt grinding of free-form surfaces in order to obtain high-quality products and high-efficiency. One of the critical problems of high-precision belt grinding is to compute the force distribution in the contact area between the workpiece and elastic grinding wheel. The finite element method (FEM) is the traditional way to solve such a contact problem. However, the FEM model is too time-consuming. Normally, a single calculation takes several minutes on a powerful PC, which is unacceptable for real-time simulations and on-line robot control. A new model based on a neural network (NN) technique is developed instead of the FEM model to calculate the force distribution. The new model approximates the old FEM model with an acceptable tolerance but can be executed much faster than FEM model. With this new model, real-time simulation and on-line robot control of grinding processes can be further conducted.     

混凝土管端口打磨机器人设计及力学性能分析

为提高预应力钢筒混凝土管道端口的打磨精度和效率，设计了一种新型的自行走式端口打磨机器人。基于构型演变法对该机器人进行了构型设计及结构设计，建立了其力学模型。以插口端打磨机器人应用于4 m口径管道为实例，求解了机器人运行过程中的极限载荷，并进行了有限元仿真分析，分析结果表明，该机器人在运行过程中，强度、刚度满足现场需求。现场试验验证了该机器人具有较高的打磨效率与工作可靠性。     

基于ANSYS的磨削残余应力场仿真研究

作为影响工件表面完整性的关键因素之一,残余应力影响工件强度,在制造时会导致产生变形和开裂等工艺缺陷,同时在制造后的自然释放过程中也会导致材料的疲劳强度、应力腐蚀等力学性能降低。本文借助有限元分析软件ANSYS,采用热—力顺序耦合方法,建立了平面磨削残余应力场的有限元模型。该模型能够动态反映磨削加工过程中工件表层残余应力的变化情况。在此基础上,分析了不同磨削参数对工件表层残余应力的影响,从计算机仿真角度对磨削加工工艺参数进行了优化。仿真结果表明,在磨削过程中,工件表层同时存在着残余拉应力和残余压应力,与其他磨削参数相比,磨削深度对残余应力的影响最为显著。     

一种飞机钣金零件数字化制造系统模式

提出了飞机钣金数字化制造过程模型,根据数字化和钣金工艺的特性,从数字量的传递与定义两个角度建立了基于制造模型的信息传递与控制模式和基于知识的钣金制造要素设计模式,从而改变了以模拟量传递、经验依赖、试错为主的传统制造模式.分析表明,该模式可以提高钣金零件质量,降低制造成本,缩短制造周期.     

165kg焊接机器人有限元模态分析

为了使焊接机器人具有更合理的结构和良好的动态性能,在模态分析理论基础上,以165kg六自由度垂直多关节型焊接机器人为例,应用Solidworks软件建立了该机器人有限元模型,选取其三种典型位姿,分析了整机在不同位姿下的模态特性,找出结构薄弱环节并给出改进建议。计算出选定重要零部件的前5阶固有频率并进行模态匹配分析,验证了该机器人结构模态分布的合理性。提出的研究方法对于一般的工业机器人有限元分析与结构优化设计具有一定的借鉴意义。     

高压储气罐结构拓扑优化设计

拓扑优化是一种能在给定的空间进行结构优化的设计方法,以有限元结构分析与优化算法相结合为手段,对CNG高压储气罐的结构进行了拓扑优化设计,建立了CNG高压储气罐优化设计的有限元模型,确定了设计变量的数目,分析了各设计变量对优化结果的影响,给出了主要设计变量对优化结果的影响规律,根据拓扑优化的计算结果,考虑到制造与加工、生产的需要,确定了储气罐的最优设计参数选择,并分析了各优化结果的应用。计算结果表明该优化设计方法有效,计算结果为高压气罐的进一步设计提供了理论依据。     

Effects of acetabular resurfacing component material and fixation on the strain distribution in the pelvis

A 3D finite element (FE) model of an implanted pelvis was developed as part of a project investigating an all-polymer hip resurfacing design. The model was used to compare this novel design with a metal-on-metal design in current use and a metal-on-polymer design typical of early resurfacing implants. The model included forces representing the actions of 22 muscles as well as variable cancellous bone stiffness and variable cortical shell thickness. The hip joint reaction force was applied via contact modelled between the femoral and acetabular components of the resurfacing prosthesis. Five load cases representing time points through the gait cycle were analysed. The effect of varying fixation conditions was also investigated. The highest cancellous bone strain levels were found at mid-stance, not heel-strike. Remote from the acetabulum there was little effect of prosthesis material and fixation upon the von Mises stresses and maximum principal strains. Implant material appeared to have little effect upon cancellous bone strain failure with both bended and unbonded bone-implant interfaces. The unbonded implants increased stresses in the subchondral bone at the centre of the acetabulum and increased cancellous bone loading, resembling behaviour obtained previously for the intact acetabulum.