基于自适应变分模态分解与功率谱熵差的机器人铣削加工颤振类型辨识

机器人铣削加工存在模态耦合颤振和再生颤振现象,有效地进行机器人铣削加工颤振类型的辨识是进行颤振精准抑制和保证加工质量的基础。为此,提出一种基于自适应变分模态分解与功率谱熵差的颤振类型辨识(AVMD-ΔPSE)方法。通过分析机器人铣削加工颤振特性和主导模态,将机器人铣削颤振分为机器人结构模态主导的模态耦合颤振和刀具-主轴结构模态主导的再生颤振两种类型。为了提取颤振敏感子信号,利用自适应变分模态分解方法对原始信号进行分解,根据功率谱熵和频率消除算法设计功率谱熵差颤振类型辨识指标,结合多组试验数据采用高斯混合模型自适应地确定辨识指标最佳分类阈值。颤振辨识试验表明机床铣削加工颤振辨识方法运用于机器人铣削加工中仅能识别颤振却无法区分不同的颤振类型,而AVMD-ΔPSE方法能准确有效地辨识和区分机器人铣削加工中的模态耦合颤振和再生颤振,为机器人铣削颤振的针对性抑制提供理论指导。     

机器人铣削模态耦合颤振建模与仿真研究

近年来工业机器人铣削加工得到了极大的推广.较好的灵活度与铰链结构使得模态耦合颤振较易发生.首先建立了考虑时滞现象、加工表面更新与瞬时切削力模型的机器人铣削模态耦合动力学模型.采用Newmark-β逐步积分法对稳定性预测结果进行验证,结果表明所建立的机器人铣削模态耦合颤振模型较为准确.根据结果分析,明确了时滞效应与瞬时切...     

复杂曲面薄壁件铣削颤振稳定性研究综述

针对复杂曲面薄壁件铣削过程中出现的颤振问题,基于再生型颤振理论,对复杂曲面薄壁件铣削颤振产生的原因进行了分析,阐述了抑制颤振发生的相关工艺优化策略和颤振稳定性分析之间的联系;在此基础上,对现阶段复杂曲面铣削稳定性分析中的频域法、时域法、试验法,以及工艺优化方法研究现状进行了综述和归纳,对现阶段国内外复杂曲面薄壁件铣削颤振的抑制方法的优缺点和适用条件进行了评价,并提出了整体式叶轮五轴加工非均匀余量工艺优化策略;通过分析影响颤振稳定性的因素,提出了今后复杂曲面薄壁件颤振抑制的研究方向。研究结果表明:相对于普通铣削颤振,复杂曲面薄壁件颤振抑制更为复杂,建立三维工艺系统稳定性模型,并考虑工件模态参数的变化,可有效抑制颤振的发生。     

基于铣削力仿真的稳定域叶瓣图构建

颤振稳定域分析的叶瓣图构建为铣削过程中参数优化的基础,但对于实际加工来说,铣削力不易通过测试获取。针对此问题,展开了基于铣削力仿真的叶瓣图构建方法研究。首先,通过有限元仿真模拟实际铣削过程,得到铣削力大小以及铣削力系数;其次,通过模态试验获取主轴-刀具系统的模态参数,再以铣削系数和模态参数为基础,构建铣削稳定性叶瓣图;最后,结合实际铣削加工的试验测试验证了叶瓣图的正确性。本研究可为优化切削参数、抑制实际铣削过程中颤振的产生提供参考,不仅可以提高工件的加工效率,也增强了系统的稳定性。     

一种基于模态耦合的薄壁零件加工可调夹具

针对薄壁零件铣削中制约加工生产效率的再生颤振问题,提出了一种用于薄壁零件加工的,基于串联模态耦合的可调工件夹具.首先,采用串联模态耦合原理设计了可调工件夹具模型,并提出了两种新的最优调谐策略(振幅调谐和负实部调谐),以提高夹具的动态刚度和铣削稳定性;其次,采用旋转弹簧和涡流模块等自适应的机构,以实现夹具模态和零件模态之...     

考虑主轴-刀柄结合面特性的机器人铣削系统刀尖频响预测研究

针对机器人铣削系统刀尖频响具有位姿依赖特性,导致机器人变位姿加工时稳定性难以准确预测、加工颤振难以有效控制的问题,提出一种考虑主轴-刀柄结合面接触刚度的机器人铣削系统刀尖频响预测方法。基于欧拉-拉格朗日法与吉村允孝单位面积法,分别构建了机器人本体动力学模型与主轴-刀柄结合面接触刚度模型,进而基于有限元主副自由度理论将机器人本体动力学模型与主轴-刀柄结合面接触刚度模型结合,构建了机器人铣削加工系统刀尖频响预测模型。开展了机器人不同位姿下刀尖频响预测验证实验,结果表明,仿真与实验得到的刀尖频响函数相比,固有频率最大误差为6.63%,对应幅值最大误差为9.80%,验证了所提出的预测模型的准确性,证明了该模型能够实现机器人任意位姿下的频响函数准确预测。     

深度学习在机器人加工颤振辨识中的应用

工业机器人在大型复杂零件的加工中被广泛应用,由其低刚度引发颤振问题是目前学者研究的重要领域之一.本文针对机器人铣削颤振辨识问题,使用变分模态分解-连续小波变换(VMD-CWT)方法对加工过程中产生的振动信号进行处理,构建去噪时频谱图表征机器人颤振状态并作为辨识模型的输入.使用深度残差卷积网络模型对其进行辨识,并通过确定...     

基于机器人逆运动学的磨削姿态优化方法

工业机器人由于其串联结构特性,刚度远远低于数控机床,导致机器人加工存在加工精度低和加工质量差的问题。为提高机器人的加工刚度,提出了一种基于机器人逆运动学的机器人加工姿态求解方法。以IRB6700机器人为研究对象,首先通过比较机器人不同逆姿态对应的加工刚度得到了机器人的最优逆姿态配置,然后进一步考虑机器人加工的冗余性,求解机器人的逆姿态,建立了机器人姿态优化模型并得到了给定加工条件下的优化结果。最后采用有限元仿真验证了机器人逆运动学的磨削姿态优化方法的正确性。     

高速铣削再生颤振稳定性预测与验证

再生型颤振是制约高速铣削加工效率和零件加工质量的主要因素。以高速铣削加工为研究对象,建立了考虑再生效应的高速铣削动态铣削力模型和颤振稳定域解析模型,通过模态实验获得机床-刀具系统的频响函数,在此基础上综合使用铣削稳定性判据进行数值分析,获得了高速铣削颤振稳定域的解析解。最后,进行了零件颤振稳定性铣削加工实验,实验得到的结果与仿真结果吻合良好,由此验证了建立的颤振系统动力学模型和颤振稳定性解析模型的正确性。     

考虑变时滞效应的弱刚度球头铣刀铣削稳定性研究

弱刚度球头铣刀广泛应用于深腔模具零件的铣削中,加工过程中容易发生颤振,确定加工稳定域是实现稳定铣削的重要手段,但该铣削系统具有变时滞特点,稳定性分析的难度较大,制约着加工质量的提高。为此,提出一种弱刚度球头铣刀铣削稳定性分析方法。首先,建立弱刚度刀具系统的动力学方程;接着,基于Newton-Raphson求解出刀齿选定点的时滞量;最后,基于全离散法提出考虑变时滞再生效应的稳定性分析方法,并利用Floquet定理获得了不同转速所对应的临界切深,构建出铣削稳定性叶瓣图。实验结果表明在叶瓣图的非稳定域铣削时铣削力中含颤振频率成分,所加工表面的S_y和S_a比稳定域内加工表面增大35%和42%,说明该分析方法是可靠的,可为切削参数的选择和优化提供依据。     

Design of a novel robotic arm with non-backlash driving for friction stir welding process

Application of industrial robots in the field of manufacturing has increased over the years due to their advantages of large workspace, good flexibility and low cost. Industrial robots are trying to replace machine tools for heavy load manufacturing, for instance, friction stir welding (FSW). However, the stiffness of industrial robots is weak which affects the manufacturing precision seriously as well as driving backlash. This paper presents a novel robotic arm with non-backlash that used for FSW process. First, the structure of the robot and how to eliminate the backlash of the robot are introduced. Secondly, a semi-analytical method based on strain energy and the equivalent stiffness of bars obtained by finite element analysis (FEA) is proposed for calculating the overall stiffness of the robot, and the effectiveness of the method is verified through the integrated FEA results. Finally, a FANUC S900iB/400 robot that used for FSW is selected as a representative of industrial robots to be compared, the stiffness of the robot presented in this paper is better than the FANUC robot, which is beneficial to improve the welding quality.     

Stiffness analysis and optimization in robotic drilling application

Low stiffness characteristics limit the application of industrial robots in the field of precision manufacturing. This paper focuses primarily on the stiffness properties of drilling robots by further studying the stiffness ellipsoid model. A Cartesian compliance model is proposed to describe the robot stiffness in Cartesian space. Based on the compliance model, a quantitative evaluation index of the robot’s processing performance is defined. By choosing a proper drilling posture, the performance index in the cutting tool direction is optimized. Higher accuracy of the countersink depth and hole axial direction can be guaranteed. From the perspective of the robot processing mechanism, the key role of the per-load pressing force is first indicated. By applying a per-load pressing force, the performance index on the machining plane is enhanced. Hole diameter accuracy is improved significantly. A stiffness improving factor used to evaluate the stiffness promotion degree is also proposed. Finally, experiments were conducted to verify the correctness of the proposed model. Drilling experiments were performed to investigate the effectiveness of the robot processing performance index improving methods The principle of pressing force used in engineering applications is given based on processing parameters.     

Load transportation by dual arm robot using sliding mode control

In this study, a sliding mode controlled dual arm robotic system was designed. Such multi-arm, collaborative and synchronous robots typically are employed in hazardous situations such as radioactive materials transport explosives disposal and industrial applications. In the present study, a high performance, robust, non-chattering sliding mode controller (SMC) was developed for the purpose of safe load handling, transportation and trajectory realization. First, dynamic equations of robot/load interaction were derived. Then, the robust SMC was designed for the dual arm robotic system. In order to test the robustness of the proposed SMC, parameter variations and external disturbances were introduced to the system. Furthermore, for comparative purposes, the conventional and widely used, PID controller was also applied to the dual arm robot. Significantly, it was found that the SMC made smaller trajectory tracking errors than the PID controller. An overall analysis of the numerical results confirmed that the dual-arm robotic systems with the proposed SMC can safely and effectively be used in hazardous applications.     

一种大型复杂构件加工新模式及新装备探讨

大型复杂构件是航空航天、能源、船舶等领域装备的核心结构件,此类构件通常具有尺寸大、形状复杂、刚性弱等特点。传统"分体离线加工-在线检测"模式存在工艺不稳定、过程复杂、柔性差、周期长等问题,以龙门式多轴数控机床加工为代表的"包容式"加工模式,难以适应大型复杂构件的高效高质量加工制造需求。提出一种基于移动式和吸附式机器人的多机协同原位加工新模式,通过多机器人系统自主寻位、精确定位加工与加工质量原位检测,实现大型复杂构件多安装面并行铣削、制孔与打磨等作业。多机器人系统包括移动式混联机器人、吸附式并联机器人、移动式串联铣削机器人、移动式双臂加工机器人和移动式打磨机器人。构建多机协同原位加工模式,需要揭示多机器人协同原位加工行为与大型弱刚性结构件质量控制的交互机理,面临着本体、测量、工艺和集成四个方面的挑战,需要设计高灵活、高刚度的移动式和吸附式加工机器人,解决移动机器人自主准确寻位和超大结构件原位高精检测难题,攻克加工变形误差在线补偿和振动抑制技术,通过集成实现多机协同高效高精加工,为大型复杂构件的高效高质量制造提供创新技术及装备,并实现此类构件制造核心技术及装备自主可控。     

轮腿式机器人的姿态耦合优化控制

轮腿式移动机器人在不平坦地形下运动时涉及三个相互关联的控制问题：稳定性控制、驱动牵引力控制和姿态控制。建立了适合于描述轮腿式机器人姿态的运动学模型,提出了轮腿运动模式下的稳定性函数和驱动牵引控制函数,为使机器人具有良好的地形适应能力、越障性能及运动稳定性,在综合分析机器人稳定性和驱动牵引特性的基础上,提出并构建了结合稳定性和驱动牵引性能的轮腿式机器人耦合优化控制准则,并实现了机器人姿态的优化控制,最后通过实验验证了该方法的可行性。     

Dynamic cutting force modeling and experimental study of industrial robotic boring

In this paper, a new approach based on industrial robotic boring is proposed to solve problems associated with intersection holes during aircraft assembly. A model is established to predict the dynamic cutting force of a robotic machining system. The robot stiffness coupling, chip deformation, and plowing interference affecting the cutting force are considered using the principles of cutting mechanics and the Oxley orthogonal cutting model. By solving a numerical solution of motion differential equation, the cutting force components in the radial, tangential, and feed directions are obtained by the model. In addition, an advanced curve intersection method is developed to identify the instantaneous uncut chip area and cutting edge contact length. Verification tests were performed on an ABB-IRB6600-175/2.55 robot for titanium alloy TC4 to determine the accuracy of the predictions. The results show that the simulated and measured cutting forces were in good agreement under different cutting conditions. By analyzing simulated and experimental results, we show that the model can be applied to predict the occurrence of vibration and has application value in terms of suppressing vibration during robotic boring.     

变胞机器人重构及转向时足着地柔顺性控制

变胞机器人能够根据外界环境变化在轮式行驶和足式行走两种运动模式间自然切换,因此兼具在平整结构路面上快速行驶和在崎岖山地越障行走的能力。基于广义坐标法建立了变胞机器人转向重构过程的运动学模型,考虑到重构过程中摆动腿与环境接触时存在较大冲击,提出了利用阻抗控制方法实现摆动腿着地柔顺控制。在传统阻抗控制的基础上,基于李雅普诺夫渐进稳定性定理设计了自适应阻抗控制器,并利用粒子群优化算法对阻抗控制参数进行了优化。通过在不同环境刚度下仿真分析,证实了经过参数优化后的自适应阻抗控制器能够很好地实现对期望接触力的跟随,提高了变胞机器人对未知多变环境的适应性。最后针对变胞机器人转向重构过程中足着地进行了路面实验,进一步证实了优化后的自适应阻抗控制方法的优越性。     

基于改进IGG3权函数距离误差模型的工业机器人标定

在工业机器人的标定过程中,测量粗差数据会对标定结果精度产生影响,为此,提出了一种基于改进IGG3权函数距离误差模型的工业机器人标定方法,将改进的IGG3权函数最小二乘辨识算法用于工业机器人距离误差标定中,以进一步提高工业机器人的标定精度。以SR4C型工业机器人为研究对象,建立了机器人距离误差数学模型,进行了IGG3权函数最小二乘辨识算法的理论研究。构建了机器人标定实验系统,进行了基于改进IGG3权函数距离误差模型的工业机器人标定实验,实验结果表明,所提方法可有效减小粗差数据对标定精度的影响。该方法可用于工业机器人标定和校准领域,以提高工业机器人定位精度。     

工业机器人喷涂运动学仿真研究

为了提高工业机器人设计分析效率,降低昂贵的机器人开发成本,利用虚拟样机技术对机器人进行了运动学仿真,提出了机器人的轨迹规划。根据HA006型工业机器人的结构特点,建立了基于D—H连杆坐标系的机器人运动学模型,利用MATLAB软件的机器人工具箱构建机器人对象,求解机器人基于关节坐标和直角坐标的轨迹规划,并通过SolidWorks软件进行连续路径喷涂轨迹规划的运动学仿真与分析,较为直观地观察机器人工作姿态和运动轨迹,得到机器人运动性能的实时状况。试验结果表明,该方法可以清楚地判定机器人运动方案的合理性及轨迹规划及控制算法的可行性,有效地提高了工业机器人的设计效率。