CN112705751B - 一种机器人用自适应振动制孔方法 - Google Patents

一种机器人用自适应振动制孔方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种机器人用自适应振动制孔方法，振动制孔装置包括移动机器人平台以及末端执行器，移动机器人平台连接进行钻削加工的末端执行器；还包括对监测数据实时处理并反馈的监测单元，末端执行器包括振动主轴、进给驱动电机、丝杠、法向找正机构、柔性压紧机构、钻削刀具、旋转接头、真空除尘连接口和控制单元；进给驱动电机的输出轴与振动主轴连接，钻削刀具安装在振动主轴上；监测单元和控制单元均与振动主轴连接；振动制孔方法包括步骤：（a）机器人位姿调整及工件压紧；（b）根据实际加工信息设置加工参数及监测阈值；（c）根据输入的叠层结构参数，对叠层构件加工。本发明提高了叠层构件加工质量与效率，具有较强的适应性。

Description

一种机器人用自适应振动制孔方法
技术领域
本发明涉及振动制孔方法，尤其涉及一种机器人用自适应振动制孔方法。
背景技术
在飞机制造过程中，各种金属材料与碳纤维复合材料通常一起使用，以实现更轻的总体质量、更高的结构强度和最好的燃油经济性。而螺栓连接和铆接是飞机装配中最常用的部件连接方式。并且，在一次钻削加工时需要依次钻削多种加工性差异较大的材料，给叠层结构的钻削加工带来了困难。专利CN201510072284.X航空叠层材料变参数自适应制孔系统及方法中通过监测加工过程信号，根据钻削距离（具体通过读取刀具进给位置）判断刀具钻削状态，并调整参数，该专利在加工过程中需要知道叠层结构的每种材料和各材料的厚度。
发明内容
发明目的：本发明的目的是提供一种仅需输入材料种类和顺序实现对叠层结构构件加工的机器人用自适应振动制孔方法。
技术方案：本发明的振动制孔装置，包括可移动机器人平台以及末端执行器，所述的移动机器人平台连接进行钻削加工的末端执行器；还包括可对监测数据实时处理并反馈的监测单元；所述末端执行器包括振动主轴、进给驱动电机、丝杠、冷却通道连接口、法向找正机构、柔性压紧机构、钻削刀具、旋转接头、真空除尘连接口和控制单元；进给驱动电机的输出轴与振动主轴连接，钻削刀具安装在振动主轴的末端上；冷却通道连接口设于旋转接头上；法向找正机构设于机座上、位于柔性压紧机构的下面；钻削刀具设于柔性压紧机构内；柔性压紧机构上设有真空除尘连接口；
所述的监测单元和控制单元均与振动主轴连接，监测单元通过第一信号线和第二信号线采集控制振动主轴的工作参数，控制单元接收第三信号线的信号、根据需要调整加工参数。
机器人用自适应振动制孔方法，包括以下步骤：
（a）机器人位姿调整及工件压紧；
（b）根据实际加工信息设置加工参数及监测阈值；
（c）根据输入的叠层结构中每种材料参数，对叠层构件进行加工。
进一步，步骤（a）中，包括步骤如下：
（a-1）控制移动机器人平台，使其移动至加工区域，并调整机器人位姿，使末端执行器进给方向对准零件待加工区域；
（a-2）启动末端执行器法向找正机构，根据法向找正机构测量结果对机器人位姿进行微调，末端执行器前端柔性压紧机构与待加工区域周围压紧，提供加工过程中的预紧力，并锁死机器人关节。
进一步，步骤（b）中，包括步骤如下：
（b-1）设定叠层顺序与加工参数，根据实际加工叠层结构零件，向末端执行器的控制单元输入待加工叠层结构的参数，包括的参数如下：需要加工的工件材料及每种材料的加工参数P1、P2、…、Pn，n为叠层结构总层数；每两种材料之间过渡区间的加工参数P’1、P’2、…、P’n-1，其中Pi= [Si，Fri，Ai，Fsi]，Pi’= [Si’，Fri’，Ai’，Fsi’]，其中Si为振动主轴24旋转速度，Ai为振动幅值，Fsi为频率，Fri为进给驱动电机的轴向进给速度， Fri’为过渡区间频率，Ai’为过渡区间振动幅值，Fsi’为过渡区间进给驱动电机的轴向进给速度，i为当前加工层序号，i为当前加工层序号；
（b-2）向监测单元输入每次需要切换参数时的功率阈值M1、M2、…、Mn-1及钻削轴向力阈值F1、F2、…Fn-1。
进一步，步骤（c）中，包括步骤如下：
（c-1）控制单元分别向振动主轴及进给驱动电机输入初始加工参数P1，末端执行器开始加工零件；
（c-2）监测单元开始对加工过程进行监测，实时读取振动主轴的输出功率，并对信号进行处理计算，消除振动主轴空转时的运行功率，获得实际工件在钻削过程中的输入功率；当处理后的轴向力达到预设值而功率信号未达到预设值时，监测单元判断当前加工状态为钻头钻尖部分进入下一种材料而主切削刃未完全进入下一种材料，监测单元向控制单元发出信号，控制单元调整加工参数为设定的两种材料之间过渡区间的加工参数；
（c-3）振动主轴继续进给，当监测到的功率信号亦达到预设值后，监测单元判断当前加工状态为钻头主切削刃部分完全进入下一种材料，监测单元向控制单元发出信号，控制单元调整加工参数为设定的下一层材料的加工参数；
（c-4）继续进行加工，重复c-1到c-3步骤，直至经过处理后功率信号和进给轴向力信号均接近0，表示加工完成。
本发明与现有技术相比，其显著效果如下：1、通过振动主轴实现振动功能，实现对振动频率与振幅控制，减轻了振动加工复合材料造成的加工效率降低的影响，提高了叠层构件加工质量与效率； 2、充分利用了机器人的灵活性，保证的加工的灵活性，改善了传统机器人制孔方法的单一性；3、对叠层结构加工构件及钻头不需要额外要求，自适应振动制孔装置具有较强的适应性。
附图说明
图1为本发明的自适应振动制孔装置安装示意图；
图2为本发明的末端执行器装置图；
图3为本发明的制孔方法过程的流程图；
图4为本发明在钻削叠层构件时不同钻削位置的示意图。
具体实施方式
下面结合说明书附图和具体实施方式对本发明做进一步详细描述。
本发明以低频振动辅助钻削制孔为例。
低频振动辅助钻孔是在轴向直线进给方向上复合以特定频率及振幅的振动，对被加工工件进行加工的方法。
如图1所示，机器人用自适应振动制孔装置，包括可移动机器人平台1及末端执行器2组成，除了实现振动的振动主轴24之外，其他设备结构与传统机器人加工相同；移动机器人平台1通过在地面进行移动并调整位姿，使所连接的末端执行器2在给定的加工位置。
如图2所示为末端执行器，加工过程中，钻削刀具27固定在振动主轴24上，并有振动主轴24提供钻削刀具27的旋转及轴向振动。钻削刀具27的轴向进给通过进给驱动电机21提供并由导轨22及丝杠210确保平稳准确进给。加工之前，法向找正机构28通过扫描零件实际加工区域形状，保证与进给轴垂直。柔性压紧机构26压紧工件并提供一定的预压紧力。旋转接头23安装在振动主轴24末端，并由冷却通道连接口211连接外部冷却供给，提供加工过程的冷却润滑。真空除尘连接口25连接外部除尘装置，及时吸走复合材料及金属切屑，避免切屑堆积影响加工质量。末端执行器2通过机座29将各装置固定并与机器人1连接，并由电源线213进行电能供应。
进给驱动电机21控制振动主轴24及钻削刀具27的进给；丝杠210保证振动主轴24进给时进给方向的准确性；控制单元217控制加工时的振动主轴24旋转速度、进给速度及主轴振动频率和幅值。
低频振动由振动主轴24产生，实现振幅-160μm-160μm、频率0-300Hz的周期性振动，并实现主轴旋转的最大转速为12000r/min。
监测模块214通过第一信号线212读取主轴加工功率信号，同时通过第二信号线215读取进给电机进给轴向力，并实时处理判断，当需要改变加工参数时向控制单元217发出信号，达到自适应加工的目的。
监测单元214可以实时读取末端执行器2的振动主轴24实时输出功率并进行信号处理，并根据输入的阈值；当监测到的功率经过处理后达到阈值时，向末端执行器2的控制单元217输出信号，使末端执行器2自动切换到下一个给定的加工参数。
本发明的装置和方法适用于航空叠层构件的加工，对机翼及机身壁板的大型构件进行钻削制孔。叠层构件一般由碳纤维增强树脂基材料（CFRP）、钛合金、铝合金等组成。
如图3所示，机器人用自适应振动制孔装置的加工方法，包括步骤以下：
步骤a，机器人位姿调整及工件压紧
步骤a-1，控制移动机器人平台1，使其移动至加工区域，并调整机器人位姿，使末端执行器2进给方向对准零件待加工区域。
步骤a-2，启动末端执行器2的法向找正机构28，根据法向找正机构28测量结果对机器人位姿进行微调，末端执行器2的柔性压紧机构26与待加工区域周围压紧，提供加工过程中的预紧力，并锁死机器人关节。
步骤b，根据实际加工信息设置加工参数及监测阈值
步骤b-1，设定叠层顺序与加工参数：根据实际加工叠层结构零件，向末端执行器2的控制单元217输入待加工叠层结构的参数，即逐个需要加工的工件材料及每种材料的加工参数（P1，P2，…，Pn，其中n为叠层结构总层数），以及每两种材料之间过渡区间的加工参数（P’1，P’2，…，P’n-1），其中Pi= [Si，Fri，Ai，Fsi]，Pi’= [Si’，Fri’，Ai’，Fsi’]， Si为振动主轴24旋转速度，Ai为振动幅值，Fsi为频率，Fri为进给驱动电机21的轴向进给速度， Fri’为过渡区间频率，Ai’为过渡区间振动幅值，Fsi’为过渡区间进给驱动电机21的轴向进给速度，i为当前加工层序号，i为当前加工层序号；
步骤b-2，向监测单元214输入每次需要切换参数时功率阈值（M1，M2,…,Mn-1）及钻削轴向力阈值（F1，F2，…Fn-1）；
步骤c，对叠层构件进行加工
步骤c-1，控制单元217分别向振动主轴24及进给驱动电机21输入初始加工参数P1，末端执行器2开始加工零件；
步骤c-2，监测单元214开始对加工过程进行监测，实时读取振动主轴24的输出功率，并对信号进行处理计算，消除振动主轴24空转时的运行功率，获得实际工件在钻削过程中的输入功率。当处理后的轴向力达到预设值而功率信号未达到预设值时，如图4所示的状态A，监测单元214判断当前加工状态为钻头钻尖部分进入下一种材料（即为图4中钻头27的钻尖部分272已经进入材料32），而主切削刃未完全进入下一种材料（即为图4中钻头27的主切削刃部分271未完全进入材料32），监测单元214通过第三信号线216向控制单元217发出信号，控制单元217将加工参数调整为设定的两种材料之间过渡区间的加工参数。
步骤c-3，振动主轴24继续进给，当监测单元214监测到的功率信号亦达到预设值后，如图4所示的状态B，监测单元214判断当前加工状态为钻头主切削刃部分完全进入下一种材料（即为图4中钻头27的主切削刃部分271已经进入材料32），如图4所示的状态B，监测单元214通过第三信号线216向控制单元217发出信号，控制单元217将加工参数调整设定的下一层材料的加工参数。
步骤c-4，继续进行加工，重复c-1到c-3步骤，直至经过处理后功率信号（即工件输入功率）和进给轴向力信号均接近0，表示加工完成。
对本发明优选实施方式的描述清楚，权利要求书所限定的本发明并不仅仅局限于上面说明书中所阐述的特定细节，未脱离本发明宗旨或范围的对本发明的许多显而易见的改变同样可能达到本发明的目的。

Claims (2)

1.一种机器人用自适应振动制孔方法，其中，机器人用自适应振动制孔装置，包括移动机器人平台（1）以及末端执行器（2），所述的移动机器人平台（1）连接进行钻削加工的末端执行器（2）；还包括对监测数据实时处理并反馈的监测单元（214），所述末端执行器（2）包括振动主轴（24）、进给驱动电机（21）、丝杠（210）、冷却通道连接口（211）、法向找正机构（28）、柔性压紧机构（26）、钻削刀具（27）、旋转接头（23）、真空除尘连接口（25）和控制单元（217）；进给驱动电机（21）的输出轴与振动主轴（24）连接，钻削刀具（27）安装在振动主轴（24）的末端上；冷却通道连接口（211）设于旋转接头（23）上；法向找正机构（28）设于机座（29）上、位于柔性压紧机构（26）的下面；钻削刀具（27）设于柔性压紧机构（26）内；柔性压紧机构（26）上设有真空除尘连接口（25）；所述的监测单元（214）和控制单元（217）均与振动主轴（24）连接，监测单元（214）通过第一信号线（212）和第二信号线（215）采集控制振动主轴（24）的工作参数，控制单元（217）接收第三信号线（216）的信号、根据需要调整加工参数；所述振动主轴（24）为低频振动主轴，采用压电式或者是磁浮式结构；
其特征在于，包括以下步骤：
（a）机器人位姿调整及工件压紧；
（b）根据实际加工信息设置加工参数及监测阈值；包括步骤如下：
（b-1）设定叠层顺序与加工参数，根据实际加工叠层结构零件，向末端执行器（2）的控制单元（217）输入待加工叠层结构的参数，包括的参数如下：需要加工的工件材料及每种材料的加工参数P1、P2、…、Pn，n为叠层结构的总层数；每两种材料之间过渡区间的加工参数P’1、P’2、…、P’n-1，其中Pi= [Si，Fri，Ai，Fsi]，Pi’= [Si’，Fri’，Ai’，Fsi’]， Si为振动主轴（24）旋转速度，Fsi为频率，Ai为振动幅值，Fri为进给驱动电机（21）的轴向进给速度，i为当前加工层，Si’为过渡区间振动主轴（24）旋转速度，Fri’为过渡区间频率，Ai’为过渡区间振动幅值，Fsi’为过渡区间进给驱动电机（21）的轴向进给速度，i为当前加工层序号；
（b-2）向监测单元（214）输入每次需要切换参数时的功率阈值M1、M2、…、Mn-1及钻削轴向力阈值F1、F2、…Fn-1；
（c）根据输入的叠层结构参数，对叠层构件加工；包括步骤如下：
（c-1）控制单元（217）分别向振动主轴（24）及进给驱动电机（21）输入初始加工参数P1，末端执行器（2）开始加工零件；
（c-2）监测单元（214）开始对加工过程进行监测，实时读取振动主轴（24）的输出功率，并对信号进行处理计算，消除振动主轴（24）空转时的运行功率，获得实际工件在钻削过程中的输入功率；当处理后的轴向力达到预设值而功率信号未达到预设值时，监测单元（214）判断当前加工状态为钻头钻尖部分进入下一种材料而主切削刃未完全进入下一种材料，监测单元（214）向控制单元（217）发出信号，控制单元（217）调整加工参数为设定的两种材料之间过渡区间的加工参数；
（c-3）振动主轴（24）继续进给，当监测到的功率信号亦达到预设值后，监测单元（214）判断当前加工状态为钻头主切削刃部分完全进入下一种材料，监测单元（214）向控制单元（217）发出信号，控制单元（217）调整加工参数为设定的下一层材料的加工参数；
（c-4）继续进行加工，重复c-1到c-3的步骤，直至经过处理后功率信号和进给轴向力信号均接近0，表示加工完成。
2.根据权利要求1所述的机器人用自适应振动制孔方法，其特征在于，步骤（a）中，包括步骤如下：
（a-1）控制移动机器人平台（1），使其移动至加工区域，并调整机器人位姿，使末端执行器（2）进给方向对准零件待加工区域；
（a-2）启动末端执行器（2）的法向找正机构（28），根据法向找正机构（28）测量结果对机器人位姿进行微调，末端执行器（2）柔性压紧机构（26）与待加工区域周围压紧，提供加工过程中的预紧力，并锁死机器人关节。
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