基于混联机器人的叠层构件大深径螺旋铣孔加工精度和表面性状控制方法研究

With the project initiation of domestic wide-body aircraft and the major demands in the aircraft assembly process, the increased use of CFRP materials in aircraft structures has in turn created enormous challenges for the industry, especially due to the surface damages and geometric precision problem that arise from the large size hole-making process for CFRP/titanium alloy stack materials. In this context, the herein project aims to explore the key issue of high precision and low damage large depth/diameter hole-making process of CFRP/titanium alloy based on the hybrid robots. For this aim, a number of technical fundamentals will be investigated based on the combination of theoretical analysis, simulation and experimental methods: dynamic and error transmission model of 5 DOF hybrid robot in hole-making process, machining damage formation mechanism, relationship between robot stiffness, cutting parameters with machining accuracy and surface damage, influence of hole-making accuracy and damage on fatigue properties of joint hole, error compensation mechanism and damage suppression strategy, cutting parameters and cutting tool optimization to obtain the better fatigue performance, etc. The experimental validation for high precision and low damage helical milling with hybrid robot platform will be conducted and a complete set of hole-making methods for large depth and diameter stack structure will be established. The outcome of the project will lay down a solid theoretical and technical foundation for the domestic wide-body aircraft manufacturing process.

国产宽体客机项目已宣布启动，围绕宽体客机研制中装配过程重大需求，结合复合材料应用比例的大幅度提高带来的制造难题，针对大厚度CFRP/钛合金叠层构件大直径孔加工过程易出现加工损伤且几何精度难以满足要求的瓶颈问题，本申请项目拟开展基于混联机器人的复合材料/钛合金大深径高精度低损伤制孔关键技术研究。采用理论分析、仿真和试验相结合的方法，考虑混联机器人高刚度特点，建立五自由度混联机器人加工过程动力学模型，构建混联机器人制孔过程误差传递模型，研究加工损伤产生机理；研究机器人刚度，切削变量，与加工精度与损伤的关系；探究加工精度与损伤和孔疲劳性能的映射规律；研究误差补偿机制和损伤抑制策略；以含孔件疲劳性能为目标，优化制孔工艺和刀具；基于此，在混联机器人平台上进行高精度低损伤螺旋铣孔工艺试验验证；形成一整套大深径叠层构件制孔工艺方法。为国产宽体客机研制过程相关制造工艺的制定提供理论依据和技术支撑。

本项目针对航空领域复合材料/钛合金叠层构件大深径柔性化制孔需求，采用理论分析、计算仿真和实验研究相结合的方法，建立了TriMule混联机器人螺旋铣孔切削力预测模型，结合混联机器人静刚度预测仿真分析结果，阐明了机器人在整个工作空间内的末端变形规律及其对螺旋铣孔几何精度的影响规律，并提出了相应的误差补偿策略；其次，在分析螺旋铣孔材料去除机理的基础上，优化了螺旋铣孔刀具几何结构，研制出系列化螺旋铣孔专用刀具，进一步提升了制孔质量；同时，建立了混联机器人TriMule的弹性动力学模型，开展了复合材料铣削加工过程中动态特性的研究，阐明了CFRP铣削过程中混联机器人末端的动态响应及其对最终加工质量的影响规律；开展了混联机器人螺旋铣孔过程切削稳定性分析，建立了钛合金螺旋铣孔过程三自由度切削稳定性预测模型，提出了基于神经网络的混联机器人铣削加工误差预测及补偿方法；在以上研究的基础上，建成具有完整自主知识产权的“基于混联机器人的航空复材叠层构件高效低损伤加工技术实验平台”，相关工艺装备在中国商飞上海浦东制造基地得到了探索应用。该成套工艺装备，能有效提高航空复合材料及其叠层构件制孔加工的质量与效率，降低飞机生产周期与成本，解决影响飞机复材部件装配质量和效率的瓶颈问题，显著提升飞机装配质量和生产能力，为我国新型宽体客机CR929装配技术预研提供了技术支撑。