铣削机器人颤振机理及其主动抑制研究

Applying industrial machining robot is a very efficient way for aircraft assembly process . Because the rigidity of whole robot drilling system is low, the chatter phenomenon will be stimulated by the periodic disturbance load in machining process, which may results in processing failure, even tool fracture. Therefore, the chatter phenomenon is a difficult technical problem need to be solved in the robot machining technology. This proposal will take robotic milling system as research object, and aims to elucidate the generation mechanism of milling chatter in robot milling system. Then, a method and mathematical model will be put forward to detect the chatter mode and predict critical value. The rigidity model of robotic milling system will be built to reveal the connection between variable rigidity and chatter suppression, which should be deduced as the technical support for active suppression of milling chatter. The smart structure will applied to realize the chatter active suppression, The active control theory and method will be carried out to optimize the rigidity of robotic milling system. By real-time monitoring and active suppressing of milling chatter, the project is focus on improving the machining stability and precision of robotic milling system.

采用工业机器人加工系统来实现航空航天领域装配现场的加工，是非常有效的技术途径。由于机器人加工系统的整体刚度过低，在实际加工过程中较易自激产生颤振现象，造成加工失效甚至断刀现象，是当前机器人加工系统应用研究需要解决的技术难题。本项目拟以铣削机器人加工系统为研究对象，旨在研究和揭示其加工过程中的铣削颤振产生机理，并提出一种可进行颤振模态识别和临界值预测的理论方法和数学模型；建立铣削机器人的刚度模型，并阐明刚度变化与颤振抑制的内在联系，为颤振主动抑制提供技术支持；提出和采用智能结构的方式进行颤振主动抑制，优化设计智能结构在机器人关键部件中的实现方式，提出铣削颤振主动抑制的控制理论和方法，实现铣削颤振的实时监测和主动抑制，提高铣削机器人加工稳定性和加工精度。

1.项目背景.本项目面向航空航天自动化装配的铣削机器人颤振主动抑制问题，采用机器人运动学和弹性动力学理论分析机器人在周期性铣削力作用下自激颤振现象的产生机理，基于智能结构的振动主动控制技术，提出和建立机器人的铣削颤振主动抑制的理论和方法，为机器人加工系统的应用研究提供重要的理论依据和技术基础。.2.主要研究内容.（1）铣削机器人颤振机理；.（2）铣削机器人刚度与颤振抑制的内在联系；.（3）智能结构对机器人铣削颤振主动抑制。.3．重要结果.（1）建立铣削加工力学模型、铣削机器人有限元动力学模型、铣削动态铣削力模型等，并进行铣削稳定性分析；.（2）建立机器人静刚度模型，进行铣削机器人动态特性分析等；.（3）建立压电智能结构有限元动力学模型，提出基于特征向量定位法的颤振预判，对颤振主动抑制的控制优化与算例分析，以及相关的实验验证方案。.4.部分结果罗列.建立了铣削机器人有限元动力学模型、压电智能结构有限元动力学模型，应用特征向量定位法以相关颤振模态的特征向量夹角作为追踪判断对象。当弹性结构处于稳定状态时，结构动力学方程的各个广义特征值均为正实数，而与广义特征值相对应的广义特征向量则互为正交。当弹性结构在外力作用下逐渐发生颤振时，参与颤振耦合的相关模态的特征值数值将会相互逐渐接近，并最终耦合为共轭复数，代表着两个模态频率重合，同时两个相应的特征向量则逐渐失去其正交性，最终特征向量夹角衰减至0°。应用这一原理，使用特征向量定位法，通过追踪特征向量夹角的衰减过程，可以实现颤振临界点的预测和判定。.5.科学意义.为机器人加工系统优化设计和工程化应用提供重要的理论基础；建立铣削颤振主动抑制的控制理论和方法，增强机器人的刚度特性，提高铣削机器人加工稳定性和加工精度。.