CN117103280B - 一种大型水轮机顶盖在位机器人减材加工方法及系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种大型水轮机顶盖在位机器人减材加工方法及系统，包括以下步骤：S1：通过模态锤击实验获得机器人加工刀具端频响数据；S2：通过模态分析软件获取模态参数；S3：通过有阻尼系统的自由振动方程求得阻尼[C]和刚度[K]矩阵；S4：建立三自由度机器人加工系统动力学模型；S5：通过标定实验得到刀具铣削力系数；S6：求解动力学方程；S7：绘制铣削加工机器人颤振稳定性lobe图；S8：根据颤振稳定性lobe图得到稳定加工工艺参数。通过颤振稳定性lobe图来确定无颤振稳定铣削加工工艺参数，使铣削加工在无颤振工况下稳定的铣削加工，保证了加工质量和刀具的耐久性，实现对水轮发电机组大型顶盖的在位高效率铣削减材加工。
Description
技术领域
本发明涉及机器人加工技术领域，尤其涉及一种大型水轮机顶盖在位机器人减材加工方法及系统。
背景技术
水轮发电机组的顶盖作为水轮发电机组最重要的过流部件之一，在机组运行过程中长期受到水流空蚀作用，在过流面会形成很多空蚀坑，对机组安全运行带来了极大的安全隐患。在检修过程中，需要对空蚀区域进行材料去除，然后再补焊打磨，由于空蚀区域面积和去除深度大（以某型号水轮发电机组为例，周长约40m，宽度约14cm，去除深度达10mm）、检修工期短（顶盖不返回原厂进行维修，在顶盖所处电站位置进行维修），因此给减材加工工艺带来巨大挑战。传统的减材加工工艺，如砂轮打磨，要达到高效率减材加工，所需的设备尺寸大、重量重、不方便转场，在现场有限空间内施工难度极大。
为此，我们设想了一种大型水轮机顶盖在位机器人减材加工方法及系统，该水轮发电机组大型顶盖在位大去除量减材加工采用轻量化大负重比机器人铣削加工技术实现大型顶盖的高效率空蚀区域减材加工。但是由于采用的是轻量化机器人，不能忽略机器人刚度在作业过程中带来的颤振，该颤振将直接影响后期的加工质量以及刀具的使用。
发明内容
本发明要解决的技术问题是：解决上述背景技术中存在的问题，提供一种大型水轮机顶盖在位机器人减材加工方法，通过颤振稳定性lobe图得到稳定加工工艺参数。
本发明要解决的第二个技术问题是：提供一种采用一种大型水轮机顶盖在位机器人减材加工方法的系统，用于大型水轮机顶盖的在位铣削加工。
为了实现上述的技术特征，本发明的目的是这样实现的：一种大型水轮机顶盖在位机器人减材加工方法，包括以下步骤：
S1：通过模态锤击实验获得机器人加工刀具端频响数据；
S2：通过模态分析软件获取模态参数；
S3：通过有阻尼系统的自由振动方程求得阻尼[C ]和刚度[K]矩阵；
S4：建立三自由度机器人加工系统动力学模型；
S5：通过标定实验得到刀具铣削力系数；
S6：求解动力学方程；
S7：绘制铣削加工机器人颤振稳定性lobe图；
S8：根据颤振稳定性lobe图得到稳定加工工艺参数。
在S1中，进行模态锤击实验时，将加速度传感器放置在铣削电主轴靠刀具一端，用锤头轻锤刀具的尖端，使用振动采集平台对加速度传感器采集的频响数据进行采集。
在S2中，通过模态分析软件对采集到的频响数据进行分析，得到频响函数，然后对频响函数求解得模态参数，其中，模态参数包括模态质量矩阵[M]。
在S4中，三自由度机器人加工系统的动力学模型包括在X轴建立Kx和Cx参数的动力学方程，在Y轴建立Ky和Cy参数的动力学方程，在Z轴建立Kz和Cz参数的动力学方程。
在S5中，通过标定实验得到铣削力系数矩阵[Kc]。
在S6中，动力学方程为：
；
式中，[M]、[C]、[K]分别表示机器人刀具端模态质量、阻尼与刚度矩阵；[Kc]表示铣削力系数矩阵；t、T分别表示当前时刻和刀齿周期；x（t）-x（t-T）、y（t）-y（t-T）、z（t）-z（t-T）、分别表示X、Y、Z方向上产生的动态切削厚度。 、/> 和/> 分别表示刀具端在X、Y、Z方向上的动态位移，/> 、/> 和/> 分别为/> 、/> 和/> 的一阶导数，/> 、/> 和 分别为/> 、/> 和/> 的二阶导数。
在S7中，在S7中，通过数值积分法对动力学方程进行求解，通过求解得到的结果，绘制机器人加工的颤振稳定性lobe图。
在S8中，获得颤振稳定性lobe图后，通过颤振稳定性lobe图确定无颤振铣削工艺参数，在颤振稳定性lobe图中，稳定边界下方的工艺参数为切削时不会发生颤振的参数；其中，工艺参数包括铣削电主轴的转速和刀具的铣削深度。
一种大型水轮机顶盖在位机器人减材加工系统，采用了所述的一种大型水轮机顶盖在位机器人减材加工方法，加工系统包括机器人、铣削电主轴，所述机器人的自由端安装有六位力传感器，铣削电主轴安装在六位力传感器上，机器人的固定端安装在机座上；所述铣削电主轴的输出轴上用于安装铣削用的刀具。
所述铣削电主轴的一侧还安装有视觉装置。
本发明有如下有益效果：
1、本发明中，由于采用了轻量化的机器人，机器人的刚性相对较差，更容易在铣削加工过程中发生颤振现象，颤振会导致表面加工质量、刀具振动加大导致刀具卡死、崩刃等，因此通过颤振稳定性lobe图来确定无颤振稳定铣削加工工艺参数，使铣削加工在无颤振工况下稳定的铣削加工，保证了加工质量和刀具的耐久性，实现对水轮发电机组大型顶盖的在位铣削减材加工。
2、通过颤振稳定性lobe图，采用稳定边界下方的工艺参数加工，能够对颤振进行抑制，不会发生颤振，对稳定边界下方的工艺参数进行分析，可以找到最佳的加工工艺参数，以提高铣削效率。
3、加工系统采用六维力传感器、视觉装置，六维力传感器能够对加工过程中的铣削力进行采集，通过刀具在线监测系统对铣削力进行分析，判断刀具是否存在严重磨损，以便及时更换刀具，提高生产效率和加工质量。视觉装置能够对顶盖待加工区域进行测量，获取点云数据后，生成铣削加工轨迹和加工程序下发到机器人，机器人按照生成的轨迹进行铣削加工。
附图说明
图1为本发明获取稳定加工工艺参数的流程图。
图2为本发明锤击实验时获取的频响数据曲线图。
图3为本发明三自由度机器人加工系统动力学模型示意图。
图4为本发明稳定性lobe图。
图5为本发明加工系统结构图。
图6为本发明加工状态示意图。
图中：机座1，机器人2，自由端21，固定端22，六位力传感器3，铣削电主轴4，刀具5，视觉装置6、顶盖7。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的实施方式作进一步的说明。
实施例一：
参见图1-4，一种大型水轮机顶盖在位机器人减材加工方法，包括以下步骤：
S1：通过模态锤击实验获得机器人加工刀具端频响数据；
S2：通过模态分析软件获取模态参数；
S3：通过有阻尼系统的自由振动方程求得阻尼[C]和刚度[K]矩阵；
S4：建立三自由度机器人加工系统动力学模型；
S5：通过标定实验得到刀具铣削力系数；
S6：求解动力学方程；
S7：绘制铣削加工机器人颤振稳定性lobe图；
S8：根据颤振稳定性lobe图得到稳定加工工艺参数。
由于采用了轻量化的机器人，机器人的刚性相对较差，更容易在铣削加工过程中发生颤振现象，颤振会导致表面加工质量、刀具振动加大导致刀具卡死、崩刃等，因此，通过颤振稳定性lobe图来确定无颤振稳定铣削加工工艺参数，使铣削加工在无颤振工况下稳定的铣削加工，保证了加工质量和刀具的耐久性，实现对水轮发电机组大型顶盖的在位高效率铣削减材加工。
在S1中，进行模态锤击实验时，将加速度传感器放置在铣削电主轴4靠刀具5一端，用锤头轻锤刀具5的尖端，使用振动采集平台对加速度传感器采集的频响数据进行采集。图2中为锤击实验时获取的频响数据曲线图。
在S2中，通过模态分析软件对采集到的频响数据进行分析，得到频响函数，然后对频响函数求解得模态参数，其中，模态参数包括模态质量矩阵[M]。
在S4中，由于采用的是轻量化机器人，不能忽略机器人的刚度影响，因此需建立三自由度机器人加工系统动力学模型，参见图3，为本发明三自由度机器人加工系统动力学模型示意图。
三自由度机器人加工系统的动力学模型包括在X轴建立Kx和Cx参数的动力学方程，在Y轴建立Ky和Cy参数的动力学方程，在Z轴建立Kz和Cz参数的动力学方程。
在S5中，通过标定实验得到铣削力系数矩阵[Kc]。其中，标定实验是将刀具5安装到数控机床上进行标定的。
在S6中，三自由度机器人加工系统的动力学方程如下所示，
；
该动力学方程可进一步简化为：
；
式中，[M]、[C]、[K]分别表示机器人刀具端模态质量、阻尼与刚度矩阵；[Kc]表示铣削力系数矩阵；t、T分别表示当前时刻和刀齿周期；x（t）-x（t-T）、y（t）-y（t-T）、z（t）-z（t-T）、分别表示X、Y、Z方向上产生的动态切削厚度； 、/> 和/> 分别表示刀具端在X、Y、Z方向上的动态位移，/> 、/> 和/> 分别为/> 、/> 和/> 的一阶导数，/> 、/> 和 分别为/> 、/> 和/> 的二阶导数。
在S7中，通过数值积分法对动力学方程进行求解，通过求解得到的结果，绘制机器人加工的颤振稳定性lobe图。具体的，根据切削条件（如主轴转速等）、刀具端模态参数和切削力系数，采用数值积分法求解动力学方程，获得切削力、刀具端位移等时域数据，根据时域数据可判断切削过程是否稳定，单独改变轴向切深，其他条件不变进行求解，可获得该主轴转速下的临界轴向切深，按一定主轴转速步距进行求解可获得每个主轴转速下的临界轴向切深，根据求得的主轴转速和临界轴向切深数据集即可绘制出lobe图。参见图4，为本发明得到的颤振稳定性lobe图。
在S8中，获得颤振稳定性lobe图后，通过颤振稳定性lobe图确定无颤振铣削工艺参数，在颤振稳定性lobe图中，稳定边界下方的工艺参数为切削时不会发生颤振的参数；其中，工艺参数包括铣削电主轴4的转速和刀具5的铣削深度。
在图4中，稳定边界下方的工艺参数为切削时不会发生颤振的参数，采用稳定边界下方的工艺参数加工，能够对颤振进行抑制，不会发生颤振，对稳定边界下方的工艺参数进行分析，可以找到最佳的加工工艺参数，以提高铣削效率。
实施例二：
参见图5、6，一种大型水轮机顶盖在位机器人减材加工系统，采用了所述的一种大型水轮机顶盖在位机器人减材加工方法，加工系统包括机器人2、铣削电主轴4，所述机器人2的自由端21安装有六位力传感器3，铣削电主轴4安装在六位力传感器3上，机器人2的固定端22安装在机座1上；所述铣削电主轴4的输出轴上用于安装铣削用的刀具5。
六维力传感器3能够对加工过程中的铣削力进行采集，通过刀具在线监测系统对铣削力进行分析，判断刀具是否存在严重磨损，以便及时更换刀具，提高生产效率和加工质量。刀具急剧磨损时，主切削方向和进给方向的力的相干函数下降，因此，通过在加工过程中实时监测主切削力与进给力，求两者的相干函数，当某一频段的相干函数发生急剧下降时，则说明刀具已严重磨损。
机座1可以固定的，也可以是能够移动的。
进一步的，铣削电主轴4的一侧还安装有视觉装置6。视觉装置6能够对顶盖7待加工区域进行测量，获取点云数据后，生成铣削加工轨迹和加工程序下发到机器人2，机器人2按照生成的轨迹进行铣削加工。
机器人2、六维力传感器3、铣削电主轴4以及视觉装置6可以通过控制系统集中控制。控制系统可采用工控机。
本专利中，机器人2的关节减速机的刚性对整个机器人的刚性起着决定性的作用，而关节减速机的扭矩大小决定机器人关节的刚性大小，机器人的刚性较差，在加工过程中会出现机器人末端出现较大变形上抬，导致不能铣削到给定切深的情况，通过机器人的铣削加工测试及调整机器人各轴减速机的扭矩，最终确定刀具直径8mm、切深可达1.5mm的机器人（作业半径不低于1.2m）各轴减速机扭矩：机器人的J1/J2轴额定扭矩不低于400Nm，J3轴额定扭矩不低于200Nm，J4/J5/J6轴额定扭矩不低于80Nm。
本专利的铣削电主轴4和刀具5适用于不锈钢材料的顶盖铣削，不锈钢的粘附性及熔着性强，切屑容易粘附在铣刀刀齿上，使切削条件恶化，采用普通立铣刀铣削不锈钢时，刀具会出现剧烈磨损，因此，刀具5采用具有HE涂层的铣刀，该涂层具有很高的耐温性能与涂层硬度，能有效提升铣刀的加工性能。铣刀刀刃数越多，每个刀刃所受的力越小，但刀具刃数过多会减小容屑槽的空间，使切屑不能及时排出，因此刀具5采用四刃结构。立铣刀螺旋切削刃能改变切削流向，使刀具在切削时让切屑顺利排出，同时还能起到散热和减小切削阻力的作用，因此合理的螺旋角选择可以改善铣刀的切削性能，刀具5采用35°螺旋角。经不锈钢铣削加工测试表明，该刀具5耐磨性强，加工过程中不会出现粘刀现象，非常适合不锈钢材料大去除量的铣削。
刀具5包括球形铣刀和圆鼻铣刀，由于顶盖加工区域有侧壁存在，外侧壁较高（约40cm）、内侧壁较低（约3cm），因此为了提升加工效率、以及避免电主轴与侧壁发生碰撞干涉，在加工靠近外侧壁区域时，采用球形铣刀，且主轴轴线与加工面成一定倾角，在避免与侧壁碰撞的同时，通过球形铣刀实现侧壁附近区域的加工；在加工靠近内侧壁区域时，采用不同悬长的圆鼻铣刀，随着铣削深度的增加，改变刀具的悬深长度，以提高靠近内侧壁区域的加工效率。
Claims (3)
1.一种大型水轮机顶盖在位机器人减材加工方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1：通过模态锤击实验获得机器人加工刀具端频响数据；
S2：通过模态分析软件获取模态参数；
S3：通过有阻尼系统的自由振动方程求得阻尼[C]和刚度[K]矩阵；
S4：建立三自由度机器人加工系统动力学模型；
S5：通过标定实验得到刀具铣削力系数；
S6：求解动力学方程；
S7：绘制铣削加工机器人颤振稳定性lobe图；
S8：根据颤振稳定性lobe图得到稳定加工工艺参数；
在S1中，进行模态锤击实验时，将加速度传感器放置在铣削电主轴（4）靠刀具（5）一端，用锤头轻锤刀具（5）的尖端，使用振动采集平台对加速度传感器采集的频响数据进行采集；
在S2中，通过模态分析软件对采集到的频响数据进行分析，得到频响函数，然后对频响函数求解得模态参数；其中，模态参数包括模态质量矩阵[M]；
在S4中，三自由度机器人加工系统的动力学模型包括在X轴建立Kx和Cx参数的动力学方程，在Y轴建立Ky和Cy参数的动力学方程，在Z轴建立Kz和Cz参数的动力学方程；
在S5中，通过标定实验得到铣削力系数矩阵[Kc]；
在S6中，动力学方程为：
式中，[M]、[C]、[K]分别表示机器人刀具端模态质量、阻尼与刚度矩阵；[Kc]表示铣削力系数矩阵；t、T分别表示当前时刻和刀齿周期；x（t）-x（t-T）、y（t）-y（t-T）、z（t）-z（t-T）、分别表示X、Y、Z方向上产生的动态切削厚度；、/>和分别表示刀具端在X、Y、Z方向上的动态位移，/>、/>和/>分别为/>、/>和/>的一阶导数，/>、/>和/>分别为/>、/>和的二阶导数；
在S7中，通过数值积分法对动力学方程进行求解，通过求解得到的结果，绘制机器人加工的颤振稳定性lobe图；
在S8中，获得颤振稳定性lobe图后，通过颤振稳定性lobe图确定无颤振铣削工艺参数，在颤振稳定性lobe图中，稳定边界下方的工艺参数为切削时不会发生颤振的参数；其中，工艺参数包括铣削电主轴（4）的转速和刀具（5）的铣削深度。
2.一种大型水轮机顶盖在位机器人减材加工系统，其特征在于：采用了权利要求1所述的一种大型水轮机顶盖在位机器人减材加工方法，加工系统包括机器人（2）、铣削电主轴（4），所述机器人（2）的自由端（21）安装有六位力传感器（3），铣削电主轴（4）安装在六位力传感器（3）上，机器人（2）的固定端（22）安装在机座（1）上；所述铣削电主轴（4）的输出轴上用于安装铣削用的刀具（5）。
3.根据权利要求2所述一种大型水轮机顶盖在位机器人减材加工系统，其特征在于：所述铣削电主轴（4）的一侧还安装有视觉装置（6）。
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