复杂曲面机器人砂带磨削系统非线性动力学及实验研究

admin · 发表于 14 小时前

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机器人砂带磨削作为一种主要的复杂形面精加工方式，受到越来越多的关注，目前的应用领域主要是工件表面的光整加工，不涉及磨削量的控制题目，但随着叶片修复加工领域的大量设备需求，准确控制磨削量的修形磨削具有广阔的发展前景。在国家“863”项目（2007AA04Z243）：“面向叶片等复杂工件的机器人修形磨削系统”的资助下，本论文对机器人砂带磨削系统的数学建模及工艺实验进行了深入的分析：第一，分析了三种恒力机器人砂带磨削系统的结构特点及应用范围。其中，集成了力反馈系统的砂带磨削机，成本低，响应迅速，能实现高精度的恒力磨削。第二，通过拉格朗日法得到了多轮系带传动系统的动力学方程。同时，通过分析调偏机构的摆动原理，建立了高速带传动系统的数学模型，实现了砂带的等幅摆动控制。第三，提出了针对复杂曲面的相邻路径等残留高度轨迹规划法。分别对凸面路径规划、凹面路径规划和前进方向路径规划进行了详细的分析。并将其分为等宽度规划法、变宽度规划法、外接曲面规划法、内接曲面规划法、等路径间距规划法和变路径间距规划法等多种类型。得到了曲率半径、加工路径宽度、相邻路径间距、最大残留高度和最小残留高度之间存在的关系。第四，从机器人和磨削机两个角度分析了磨削系统的刚度特性，建立了系统的接触刚度模型和浮动梁系统的动力学方程。从理论分析角度讨论了动力学方程中可能存在的动力学现象。分析了弱激励条件下，系统具有同宿轨道、异宿轨道的充分必要条件，以及相应的同宿轨道参数表达式和异宿轨道参数表达式。同时，应用Melnikov方法得到了系统发生混沌运动的临界条件。第五，通过实验分析了系统的非线性接触刚度，分别对静态、动态、小压缩量和大压缩量条件下系统的刚度特性进行了实验分析。实验结果表明，大压缩量条件下系统的刚性更好，动态条件下测得的实验数据更稳定。在动态下，砂带的线速度对系统的刚度有不可忽略的影响，在低速运行状态下呈现非线性关系，在高速运行状态下，呈线性关系。第六，分析了影响工件磨削量的主要因素，包括测量设备的测量精度、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。第七，通过磨削实验分析了影响工件磨削量的主要因素，机器人系统对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之相匹配。根据实验数据对工艺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。

复杂曲面机器人砂带磨削系统非线性动力学及实验研究

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