大型薄壁零件机器人铣削的动态性能优化与加工变形补偿技术

Industrial robots are gradually replacing gantry machine tools in the machining of large aerospace parts owing to their advantages such as low cost, high mobility and large workspace. However, in the robot milling of large thin-walled parts, the articulated robot and thin-walled workpiece constitute an extremely flexible machining system. Thus, the high and instantaneously varying cutting forces will inevitably cause severe chatter vibration and static deformations during the cutting. To improve the stability and machining accuracy in robot milling of large thin-walled parts, this project carries out research on dynamic modeling, dynamic performance optimization and machining deformation compensation. The research contents include: (1) The coupling dynamics modeling of "robot-spindle-tool-workpiece" process system; (2) Optimization of the robot configuration with the dynamic performance index; (3) Off-line prediction and compensation of machining deformations in robot milling of large thin-walled parts; (4) Development of robot milling optimization software and experimental verification. It is expected that the dynamic performance and the machining accuracy can be improved by optimizing the configuration of the robot and compensating the deformation error with tool path modification, respectively. The outcomes will significantly improve the capability and accuracy level of robot milling of large thin-walled parts, and promote the development of robot intelligent manufacturing technology.

工业机器人因其成本低、运动灵活度高、工作空间大等优势正逐渐替代龙门机床应用在航空航天大型零件的制造中。但在大型薄壁零件机器人铣削中，串联机器人和薄壁工件构成了“极端”弱刚性系统，在高间断强切削力作用下难以避免会出现严重的振动和变形问题。为了提升大型薄壁零件机器人铣削的稳定性和加工精度，本项目拟开展动力学建模、动态性能优化、加工变形补偿等研究。具体研究内容包括：（1）“机器人-主轴-刀具-工件”工艺系统的耦合动力学建模；（2）基于加工动态性能指标的机器人位形优化；（3）薄壁零件机器人铣削变形的离线预报与补偿；（4）机器人铣削仿真优化软件开发与试验验证。本项目预期通过机器人位形调控实现对机器人-薄壁件动态交互过程的主动顺应，通过加工轨迹调整实现加工成形面向设计面的最佳一致逼近。研究结果对提升大型薄壁零件机器人铣削能力和精度水平具有积极的促进作用，对推动机器人智能制造技术的发展具有重要意义。

工业机器人因其成本低、运动灵活度高、工作空间大等优势正逐渐替代龙门机床应用在航空航天大型零件的制造中。但在大型薄壁零件机器人铣削中，串联机器人和薄壁工件构成了“极端”弱刚性系统，在高间断强切削力作用下难以避免会出现严重的振动和变形问题。本项目旨在提升薄壁零件机器人铣削的动态性能和加工精度，经过三年的研究工作，取得了一批规律性认识和系统性成果：（1）在机器人加工系统几何力学建模方面，提出了一种基于ANN模型超参数优化的工业机器人姿态精度提升新方法，构建了面向带有四连杆机构、平衡缸装置和双编码器的重载机器人连杆刚度模型与参数辨识方法，实现了机器人加工轨迹精度的提升；（2）在机器人加工工艺方面，构建了集成最优进给率的机器人铣削力自适应控制系统，提出了基于机器人加工-测量-补偿闭环的误差补偿方法，实现了机器人薄壁件加工精度的提升；（3）在薄壁件加工支撑头设计方面，提出了一种工件形状自适应刚柔多点随动支撑装置，满足抵抗变形、抑制振动和切深调控的功能要求，并开展了工艺系统动态性能测试，研究了预推位移量对刚性和阻尼的影响规律；（4）在薄壁件机器人加工的振动抑制方面，提出了基于频域Rényi熵指标的铣削颤振快速准确识别算法，构建了基于随动支撑头主动调控的薄壁件加工振动抑制方法，实现了薄壁件机器人加工动态性能方面的提升。相关理论方法对促进机器人铣削技术的实用化，推动大型薄壁零件制造技术的创新以及机器人装备技术和数字化加工技术的交叉发展具有重要意义。.项目研究成果在Robotics and Computer-Integrated Manufacturing、Precision Engineering等机械制造领域权威期刊和会议发表论文5篇，其中SCI收录4篇；申请发明专利1项，其中授权1项；在国内外学术会议作大会报告/特邀报告1次。结合项目研究，毕业博士生1人；在读博士生1人、硕士生2人。项目实施期间，项目负责人入选上海市浦江人才计划（特需人才类）。