外文翻譯--機器人螺旋銑孔運動矢量建模與孔加工表面粗糙度的理論分析 中文版

1、<p>　　畢業(yè)設(shè)計(論文)外文資料翻譯</p><p>　　原 文 題 目：Vector modeling of robotic helical milling </p><p>　　hole movement and theoretical analysis on roughness of </p><p>　　hole surfac

2、e </p><p>　　原 文 來 源：Central South University Press and </p><p>　　Springer-Verlag Berlin Heidelberg 2013 </p><p>　　學(xué) 生 姓 名： </p><p>　　所在院(系)部：

3、 工業(yè)中心 </p><p>　　專 業(yè) 名 稱： 機械設(shè)計制造及其自動化 </p><p>　　J.Cent.South大學(xué)（2013）20：1818年至1824年</p><p>　　DOI：10.1007/ sll771-013-1678-5</p><p>　　機器人螺旋銑

4、孔運動矢量建模與</p><p>　　孔加工表面粗糙度的理論分析</p><p>　　SHAN Yi-cai(單以才)，HE Ning(何寧)，LI Liang(李亮)，ZHAO wei(趙威)，YANG Yin-fei(楊吟飛)</p><p>　　1南京航空航天大學(xué)機電工程學(xué)院，南京210016，中國;;</p><p>　　2南京信息技

5、術(shù)學(xué)院，南京210046，中國</p><p>　　◎中南工業(yè)大學(xué)出版社和施普林格出版社柏林海德堡2013</p><p>　　摘要：為了避免過多的軸向力的故障，在復(fù)雜的流程和頻繁換刀鉆孔機器出現(xiàn)的問題，新的制孔技術(shù)（即螺旋銑孔）中引入了設(shè)計一種新的機器人螺旋銑孔系統(tǒng)。這可能會進一步提高機器人的銑孔，在飛機數(shù)字化裝配能力。分析螺旋銑孔的特點后，總結(jié)兩個典型的機器人螺旋銑孔系統(tǒng)的優(yōu)點和局限性

6、。然后，在矢量分析法上建立螺旋銑孔運動矢量模型。最后，表面粗糙度的計算公式是根據(jù)螺旋銑孔的運動原理，那么的主影響推導(dǎo)對表面粗糙度工藝參數(shù)進行了分析。分析表明，孔理論表面粗糙度變窮人的工具速比和公轉(zhuǎn)半徑的增加。與此同時，粗糙度根據(jù)工具的增加而減小齒數(shù)。這項研究大大有助于粗糙度預(yù)測模型的螺旋銑孔加工。</p><p>　　關(guān)鍵詞：螺旋銑孔;機器人制孔系統(tǒng)，矢量建模;理論表面粗糙度</p><p&g

7、t;<b>　　1 引言</b></p><p>　　隨著成功研制國內(nèi)區(qū)域的航空公司ARJ.700和大飛機C919，更多的關(guān)注都集中在如何提高質(zhì)量和裝配孔的效率，在平面最終組裝階段[1-2]。由于這種優(yōu)點自動化程度高，良好的柔韌性和低成本，由于這些優(yōu)點，自動化程度高，柔韌性好，成本低，在大型和超大型飛機中機器人制孔系統(tǒng)正逐漸成為未來智能化的主要技術(shù)。</p><p>

8、　　為了滿足高效和精確的孔制定的要求，新的機械手制孔系統(tǒng)相繼出現(xiàn)。目前，常用的技術(shù)是關(guān)節(jié)機器人鉆孔技術(shù)。是考慮在低剛性和差承載力的串聯(lián)機械手固有的缺陷，本鉆孔系統(tǒng)的應(yīng)用受到限制。近日，波音和Electroimpact公司聯(lián)合開發(fā)的靈活的軌道自動送鉆系統(tǒng)，其中真空吸盤吸附在工件表面上實現(xiàn)鉆孔?，F(xiàn)在，鉆井系統(tǒng)已經(jīng)成功應(yīng)用在波音787，波音777和A380上。</p><p>　　西班牙M.Torres公司設(shè)計了爬壁機

9、器人自動鉆孔系統(tǒng)。在這個系統(tǒng)中，鉆孔裝置安裝在機器人上在真空卡盤上完成吸附功能。所以，可避免特殊輔助工具。由于上述系統(tǒng)都使用真空吸附技術(shù)，這兩個鉆孔系統(tǒng)無法適應(yīng)大的軸向力的場合。因此，這兩個系統(tǒng)僅在小孔使用。隨著航空部件制成的大洞的不斷增加難切削材料（尤其是鈦合金，碳纖維增強復(fù)合材料和高強度航空鋁合金），迫切需要開發(fā)高效率，高精度的新鉆孔系統(tǒng)[5-7]。</p><p>　　螺旋銑孔（即軌道銑孔），是新技術(shù)，它利

10、用研磨的方式來實現(xiàn)打孔.T001運動技術(shù)常規(guī)鉆孔的不是一個簡單的組合和銑削，但是三維螺桿的相對運動刀具和工件。螺旋銑孔的過程包括圍繞刀具的刀具旋轉(zhuǎn)軸三個動作，刀具軸向進給，刀具圍繞孔的軸線公轉(zhuǎn)。該技術(shù)可以使不同的孔不斷變化的工具，位置精度，幾何精度和表面粗糙度變化的工具，滿足需求[8-9]。因此，新的機器人制孔系統(tǒng)基于螺旋銑孔技術(shù)具有廣闊的應(yīng)用前景，在航空，航天領(lǐng)域和造船等[1 0-1 3]。然而，在切割過程機器人螺旋銑孔一直沒有深研究

11、。在這項工作中，機器人螺旋的造型矢量銑孔是在孔理論上的表面粗糙度進行建立和深入研究的。</p><p>　　2螺旋銑孔的特點和基于兩個典型的加工方法關(guān)節(jié)機器人</p><p>　　2.1螺旋銑孔的特性</p><p>　　螺旋銑孔的原理如圖1所示[14]。在螺旋銑孔，主運動是刀具的高速旋轉(zhuǎn)和進給運動是相對于工件的刀具的螺旋進給。該進給運動是刀具和工件之間的公轉(zhuǎn)進給組

12、合運動和軸向進給。因此，螺旋銑孔有以下特點：</p><p>　　圖1 螺旋銑孔的示意圖</p><p>　　1）由于旋轉(zhuǎn)半徑存在，孔直徑是由刀具直徑和旋轉(zhuǎn)半徑來確定。所以，銑孔技術(shù)具有良好的彈性。</p><p>　　2）旋轉(zhuǎn)半徑可在線路進行調(diào)整。因此，螺旋銑削不僅可生成圓柱孔和圓錐孔，而且有正確的位置誤差。此外，它提高了孔的加工精度。</p>

13、<p>　　3）不連續(xù)的螺旋銑削實現(xiàn)短暫切屑， 這有助于實現(xiàn)自動排屑和提高孔的質(zhì)量。</p><p>　　4）不連續(xù)的螺旋銑削要保證刀具足夠的冷卻時間。同時，較小的刀具直徑有助于受熱刀具的耗散。這樣，刀具具有在低的溫度加工。</p><p>　　5）相對于傳統(tǒng)的鉆孔，螺旋銑孔大大降低軸向力。因此，該研磨方法是適用于制造精確的硬質(zhì)固化材料的孔。</p>&l

14、t;p>　　2.2兩種典型的加工方法</p><p>　　據(jù)螺旋送進的實現(xiàn)形式，機器人螺旋銑孔有兩種典型的加工方法。在第一加工方法。螺旋送進是通過刀具軸向進給和工件旋轉(zhuǎn)實現(xiàn)。如圖2所示（一）。另一種方法使用刀具的軸向進給和工具的公轉(zhuǎn)，實現(xiàn)螺旋銑削，原理示于圖2（b）。</p><p><b>　　B</b></p><p>　　圖2 兩種

15、典型的加工方法螺旋銑削保持（一）工件運動插值;（二）工具轉(zhuǎn)</p><p>　　在圖2（a）中，兩個線性運動的插值實現(xiàn)工件旋轉(zhuǎn)。為了保證良好的精度，這種加工方法在處理上有較高的進給驅(qū)動加速度，剛度和硬度要求的特性。因此，世界各地的學(xué)者們通常會選擇螺旋銑孔，通常選用世界各地高速精密加工中心。由于螺旋送進是由工件裝載平臺和主軸完成的，螺旋研磨孔的過程中很容易實現(xiàn)。然而，工件體積由裝載平臺的尺寸的限制。</p&g

16、t;<p>　　在圖2（b）所示，通過刀具公轉(zhuǎn)完成圍繞孔的軸線。第二種加工方法可以避免由于插值的加工誤差運動。為主軸實現(xiàn)旋轉(zhuǎn)，軸向進給并同時公轉(zhuǎn)，不必調(diào)整工件的嵌入姿勢。因此，第二方法是很適合于在大和超大型工件的自動制孔制造。但是，它需要復(fù)雜的運動機構(gòu)。</p><p>　　3機器人螺旋銑削孔矢量模型</p><p>　　3.1機器人螺旋銑削系統(tǒng)工作流程</p>

17、<p>　　機器人螺旋磨邊系統(tǒng)主要由機器人平臺，末端執(zhí)行器的制孔，自動測量設(shè)備尋求孔標(biāo)記點和控制平臺。末端執(zhí)行器和自動測量裝置安裝在機器人平臺。螺旋磨邊之前，末端執(zhí)行器是由機器人平臺的自動測量設(shè)備的引導(dǎo)下發(fā)送到特定位置。用于確定所述孔標(biāo)記點的檢測算法在參考文獻中所示。[5]。在結(jié)束時，端部執(zhí)行器是實現(xiàn)螺旋磨邊的運動。機器人螺旋磨邊系統(tǒng)的工作過程中顯示如圖3所示。</p><p>　　3.2工件運動插值

18、與螺旋銑孔的矢量模型</p><p>　　雖然已經(jīng)提出進行了深入研究螺旋銑削孔的運動學(xué)，運動矢量模型的研究，目前仍然缺乏。開發(fā)基于螺旋銑削技術(shù)的機器人制孔系統(tǒng)，矢量方程應(yīng)該找到來形容螺旋銑削孔的運動。因此，從根本上矢量模型需要在空間中的坐標(biāo)系統(tǒng)來建立。圖4給出了當(dāng)工件移動螺旋銑孔的基本矢量模型。為了易于學(xué)習(xí)，工件插補運動取代有工件旋轉(zhuǎn)。根據(jù)由自動測量設(shè)備檢測出的孔標(biāo)記點的姿勢，一個新的絕對坐標(biāo)系統(tǒng)被建立在模型中。

19、這兩個相對坐標(biāo)系和除z外，都涉及到工件上。這兩個坐標(biāo)系的平移和旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系統(tǒng)標(biāo)注孔點與末端執(zhí)行器之間。相關(guān)刀具相對坐標(biāo)系刀具的軸向進給坐標(biāo)系和刀具旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系。編譯坐標(biāo)系統(tǒng)由的沿向量和的平移形成。在，的原點由刀具軸向進給矢量描述。該刀具旋轉(zhuǎn)載體描述加工運動過程中切削刃的位置向量。切削刃在的位置矢量通過刀具軸向進給向量，刀具旋轉(zhuǎn)矢量和兩個軸向偏差向量和的合成。</p><p>　　圖3 機器人螺旋銑孔工作進程<

20、/p><p>　　圖4 螺旋銑孔矢量模型與工件的運動插值</p><p>　　在圖4中，刀具由逆時針旋轉(zhuǎn)在上的刀具旋轉(zhuǎn)矢量被表示為</p><p>　　兩個軸向偏差矢量顯示在如下：</p><p>　　其中是刀具安全高度。</p><p>　　從中的轉(zhuǎn)換矩陣被給定為</p><p>　　其中，

21、表示軸向進給距離時工件公轉(zhuǎn)了一圈。是工件轉(zhuǎn)速。表示工件的旋轉(zhuǎn)角度。</p><p>　　當(dāng)轉(zhuǎn)換到需要新的平移矩陣：</p><p><b>　　從轉(zhuǎn)換矩陣由描述</b></p><p>　　其中是工件旋轉(zhuǎn)角度。</p><p>　　中的前沿位置矢量P是獲得：</p><p>　　上述表達式是當(dāng)工件

22、使螺旋銑孔插補運動基本矢量模型。</p><p>　　3.3刀具螺旋銑孔公轉(zhuǎn)的矢量模型</p><p>　　在圖2（b）中，沒有必要調(diào)整工件在構(gòu)成螺旋銑孔。因此，向量模型與工具公轉(zhuǎn)螺旋銑孔是建立在圖5。在這種模式下，一個新的絕對坐標(biāo)系值也建立了基于孔的位置</p><p>　　機器人標(biāo)志點坐標(biāo)系｛｝。的原點是孔標(biāo)記點。末端執(zhí)行器的工作協(xié)調(diào)制度的建立，為了滿足相關(guān)需求

23、端之間位置效應(yīng)和標(biāo)記點。</p><p>　　其他三個相對坐標(biāo)系統(tǒng)刀具公轉(zhuǎn)坐標(biāo)系統(tǒng)中，刀具軸向進給坐標(biāo)系統(tǒng)，和刀具旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系統(tǒng)。在時，為原點是由刀具安全高度的矢量描述。該工具公轉(zhuǎn)矢量E描述的合原點。刀具軸向進給矢量和旋轉(zhuǎn)載體對應(yīng)于在圖4所示的矢量和。我們定義數(shù)作為切削刃在的位置矢量。這里，是四個矢量作為，，和的組合。</p><p>　　圖5 螺旋銑孔刀具公轉(zhuǎn)矢量模型</p&

24、gt;<p><b>　　從到的變換矩陣給出</b></p><p>　　當(dāng)轉(zhuǎn)換到，新需要平移變換矩陣：</p><p>　　來自的變換矩陣為被描述為公式（8） 從轉(zhuǎn)換矩陣被描述為式（9）</p><p>　　中的前沿位置矢量是表示為</p><p>　　表達(10)是螺旋的基本矢量模型銑孔與刀具

25、公轉(zhuǎn)。</p><p>　　4計算和孔表面的分析粗糙度</p><p>　　在螺旋銑孔的過程中，孔表面粗糙度Rz直接影響磨損性，耐疲勞性，和應(yīng)力腐蝕的工件特征抵抗性。因此，高度重視應(yīng)該對表面粗糙度。根據(jù)刀具運動原理，可以在孔表面粗糙度進行理論分析。</p><p>　　圖6示出用于計算孔表面的模型粗糙度。當(dāng)?shù)毒咝D(zhuǎn)一個齒，刀具旋轉(zhuǎn)角度是</p><

26、;p>　　其中Z是刀具齒數(shù)，是刀具的變速比自轉(zhuǎn)和刀具公轉(zhuǎn)。</p><p>　　從圖6中，孔表面粗糙度Rz表示如</p><p>　　中，表示從點到點的距離，其被描述為</p><p>　　當(dāng)代方程（11）和式（13）成等式（12），我們獲得以下公式：</p><p>　　圖6 孔表面粗糙度理論計算模型</p>

27、<p>　　孔表面粗糙度圖6理論計算模型等式（14）是表面的理論公式粗糙度螺旋銑孔。粗糙度是由刀具齒數(shù)，刀具直徑，旋轉(zhuǎn)速度。轉(zhuǎn)速和公轉(zhuǎn)半徑幾個參數(shù)來確定。</p><p>　　當(dāng)?shù)毒咧睆綖?2mm和孔徑為23毫米，在圖7中示出的是表面粗糙度與刀具齒數(shù)和速度比的關(guān)系。表面刀具牙齒和速比的降低粗糙度增大。在這里，刀具齒數(shù)對表面粗糙度的影響明顯。兩個參數(shù)對孔表面粗糙度低傳動比和小刀具數(shù)加工尤其是當(dāng)顯著的影

28、響。</p><p>　　圖8顯示了在三個參數(shù)的表面粗糙度，旋轉(zhuǎn)半徑和速度比，當(dāng)?shù)毒咧睆皆O(shè)置為12毫米刀具牙齒是2的關(guān)系。在這里，孔直徑隨刀具旋轉(zhuǎn)半徑的擴大而增加。在高速率，孔表面粗糙度略有增加。然而，它的變速比明顯減小，變速比越小，更快的孔的表面粗糙度下降。</p><p>　　圖9反映了旋轉(zhuǎn)半徑和轉(zhuǎn)速比的對表面粗糙度的影響，當(dāng)不同的工具被用于機器的孔。這里，不同工具的齒數(shù)為2，并且所述

29、孔被加工都具有23毫米直徑相同?？梢缘贸龅慕Y(jié)論如下：1）當(dāng)旋轉(zhuǎn)半徑逐漸增大，孔表面粗糙度如下增加的趨勢;2）在大型旋轉(zhuǎn)半徑和低轉(zhuǎn)速比，孔的質(zhì)量變差。</p><p>　　從圖7-9這些結(jié)論有很大的在優(yōu)化過程中的控制參數(shù)的意義螺旋銑削。</p><p>　　圖7為與和的關(guān)系（ =-23毫米，=12廠）</p><p>　　圖8為與和的關(guān)系（ =1 2毫米， =2）&l

30、t;/p><p>　　圖9為與和的關(guān)系（=23毫米，=2）</p><p><b>　　5 結(jié)論</b></p><p>　　1）根據(jù)螺旋銑孔的原理，在機器人的螺旋銑刀兩種典型方法特征進行了討論和機器人的螺旋銑刀的工作過程進行了設(shè)計。關(guān)于機器人的螺旋銑刀的運動分析后，兩種典型的螺旋研磨方法矢量方程推導(dǎo)出，這有助于實現(xiàn)移動控制螺旋銑孔。</p&

31、gt;<p>　　2）孔表面粗糙度的分析模型是建立在螺旋銑孔的運動功能內(nèi)的， 然后切割粗糙度參數(shù)的影響研究 該研究給出了在螺旋銑削過程中選擇的刀具齒數(shù)，刀具半徑，旋轉(zhuǎn)半徑和速度比合適的參數(shù)很好的借鑒。</p><p>　　3）在螺旋銑孔，表面粗糙度也通過切削環(huán)境下切削的類型，以及排屑等的實際過程因素的影響。因此，如何抵御基于理論和實驗的有效組合，精確的粗糙模式將成為一個重要的研究

32、方向。</p><p><b>　　參考文獻 ：</b></p><p>　　[1] JIANG Cheng-yu,WANG Jun-biao．Key manufacturing technologiesof large aircraft development in China[J] Aeronautical Manufacturing Technology,200

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