模块化可重构自动制孔系统的设计方法及自适应钻削行为控制

Designing a flexible and accurate machinery with high load, high rigidity and automatic posture adjustment, is considered as a bottleneck and the difficulty to solve drilling problem on carbon fiber composites and titanium alloy structure in current aircraft assembly .Based on modular reconfiguration, this project focuses on solving the difficulty of relative position adjustment between bit and workpiece，as well as complex structure of control system and unstable accuracy of drilling, aims at constructing a strategy for adaptive control. To reach this purpose, the project will use adaptive contro rule extraction and simulation on model design controller for system inverse dynamics, and takes the advantage of the strong fault tolerance and fast convergence rate of the neural networks and fuzzy logic system. Another purpose of this project is to construct a simulation test platform, which contains key unit module and the whole model for system performance, by means of graph theory based mechanical structure configuration method, and discretization modeling theory based mechanical module structure design and interface technology research. With the proposed performance simulation platform, we can extract drilling parameters, test position adjustment capacity and moving stability of cutting tools. We can also achieve one design theory and motion control method of automatic drilling system with independent intellectual property. This research can not only provide equipment manufacturing industrialization with scientific basis in the future, but also provide relative theoretical foundation to improve automation level of the aircraft assembly.

设计一种大负载、高刚度、能自动调姿、灵活精确的自动制孔系统是解决当前飞机装配中碳纤维复合材料、钛合金结构加工的瓶颈与难点。本课题基于模块化可重构设计思想，针对难加工材料结构的大型曲面制孔中钻头与工件的相对姿态调整困难、控制系统结构复杂、制孔精度难以保证等缺陷，利用自适应控制方法容错能力强，收敛速度快等优点，基于系统逆动力学模型设计控制器，通过自适应规则提取及仿真验证，构建系统的控制策略；通过基于图论工具的机构构形方法研究、基于离散化建模理论的机械模块结构设计及连接机制研究，构建含有关键单元模块和整机模型的系统智能化性能仿真平台；基于性能仿真试验提取钻削参数，测试刀具的法向姿态控制能力及运动灵活性，形成一类具有独立知识产权的新型自动制孔系统设计理论及运动控制方法。本研究不仅能为今后的装备制造产业化研究提供相关科学依据，而且为提升国内飞机装配的自动化水平奠定理论基础。

研究了自动制孔系统的模块化可重构设计方法、自动制孔系统的动力性能分析、制孔系统的自适应控制方法及虚拟设计平台的构建等内容。.分析机器人制孔工艺过程，确定制孔系统的功能,按照功能域到结构域的“Z”型映射框架，将制孔系统从高到低划分为四层模块，得出了制孔末端执行器的设计矩阵和模块图。.构建了基于6R串联机器人加末端执行器的机器人制孔系统，设计了制孔专用末端执行器,制孔末端执行器采用两级滑台结构，其中包含制孔单元、压紧单元、检测单元、支撑单元等组件，对各组成单元进行了详细结构设计。进行了自动制孔系统的动力性能分析，探索出一种求解自动制孔机器人运动学正解和反解的方法，明确了其关节角度与目标点的关系，利用随机点验证了该方法的正确性。.提出了一种基于LIP摩擦模型的自适应控制算法。建立了系统动力学模型，对模型中摩擦特性进行了分析；确定系统的参数回归矩阵及参数跟踪误差，对算出的参数值进行非线性自适应控制，采用李雅谱诺夫函数法从理论上证明了系统的稳定性和位置跟踪误差的收敛性，并采用数值仿真验证了该控制方法的有效性。.采用有限元法对末端执行器的部件及结合面进行刚度及强度分析，明确了末端执行器部件的应力分布规律，通过部件结构优化进行了末端执行器合理的刚度匹配。.针对薄壁结构件铆接过程中的装配变形问题，基于ANASYS软件，选取铝合金材料建立铆钉有限元模型，模拟铆钉的应力、应变的变化过程，反求出精确的压紧力，以此验证末端执行器压紧机构设计的合理性。.构建了模软件构建虚拟样机的设计平台。采用柔性编码系统和子系统组合式编码技术，创建系统结构编码规则，完成制孔系统各零部件的编码；建立设计平台的数据库和参数化模型库，基于实例验证了基于虚拟设计平台的零部件参数化设计的过程。课题的研究对提高飞机装配质量和工艺技术水平也有积极的推动作用。