一种移动铣削机器人大系统动力学振动预测及抑制方法技术方案

本发明专利技术公开了一种移动铣削机器人大系统动力学振动预测及抑制方法；考虑刀具与工件变形以及自动导引车（AGV）与机器人本体对刀尖点振动的影响，建立移动铣削机器人大系统，即AGV

【技术实现步骤摘要】
一种移动铣削机器人大系统动力学振动预测及抑制方法


[0001]本专利技术涉及机器人铣削加工
，特别涉及一种移动铣削机器人大系统动力学振动预测及抑制方法。

技术介绍

[0002]新一代航空器长寿命、高安全、超高机动等跨代性能，对其复杂弱刚性大部件的铣削加工质量、精度与效率都提出了更高的要求。近年来，移动机器人作为一种智能、柔性加工载体，由于其高精度、高效率和高柔性的特点，在铣削加工领域备受青睐。
[0003]然而，对于新一代航空器而言，其零部件多为大型复杂构件，尺寸大、结构复杂、壁厚不均匀。机器人对其铣削加工时，由机器人本体串联开式链结构带来的弱刚性与大型复杂构件的弱刚性相互耦合，加剧了机器人铣削振动的复杂性，不可避免地给机器人铣削加工振动抑制带来了新的挑战。机器人动力学模型作为研究机器人振动机理与抑制方法的重要手段，许多学者进行了相关研究。
[0004]Huynh等在学术期刊《Robotics and Computer Integrated Manufacturing》,2020,61:101852.1
‑
101852.16上发表了适用于铣削加工的铰接式机器人动力学建模的文章，建立了机器人铣削加工动力学模型，并实验研究了其对机器人末端振动的预测性能。
[0005]Cen等在学术期刊《Procedia Manufacturing》,2017,10:486
‑
496上发表了机器人结构动力学对机器人铣削加工力影响的文章，建立了考虑机器人动力学与铣削力模型的机器人铣削系统动力学模型，并分析了机器人刚度特性变化规律。
[0006]公开号CN201810333430.3的专利提出了一种基于柔体动力学模型的机器人关节振动分析与抑制方法，通过建立机器人关节的柔性动力学模型，利用有限元软件获取关节振型信息，基于力锤激励实验法采用可调陷波宽度与深度参数的双T型陷波滤波器，实现机器人关节振动抑制。
[0007]然而，上述关于机器人铣削特性研究基本上都是针对机器人本体或机器人本体与刀具的动力学建模问题展开的，但对于移动铣削机器人大系统来说，AGV、刀具和工件必将同时参与机器人的动力学耦合，应将AGV、机器人、刀具、工件考虑成一个整体，建立其一体化动力学模型，进一步分析铣削加工振动特性，研究振动抑制方法，遗憾的是目前相关研究鲜有报道。

技术实现思路

[0008]本专利技术针对现有技术中的不足，提供一种移动铣削机器人大系统动力学振动预测及抑制方法；同时考虑自动导引车(AGV)、机器人本体、刀具及工件对刀尖点振动的影响，建立AGV
‑
机器人
‑
刀具
‑
工件刚柔耦合多体系统动力学模型，预测刀尖点x、y、z三个方向振动特性，分析系统动力学响应，确定对刀尖点振动影响较大的总体参数(机器人加工姿态、铣削工艺参数)，并应用多岛遗传算法，优化系统总体参数，实现刀尖点的振动抑制。本专利技术可以改进现有基于动力学模型的振动预测及抑制方法中仅考虑机器人本体或机器人与刀具
的不足，同时计入AGV、刀具、工件对机器人铣削加工的影响，全面描述机器人铣削加工系统的动力学特性。
[0009]为实现上述目的，本专利技术采用以下技术方案：
[0010]一种移动铣削机器人大系统动力学振动预测及抑制方法，包括以下步骤:
[0011]S1：建立移动铣削机器人大系统，即建立AGV
‑
机器人
‑
刀具
‑
工件刚柔耦合多体系统的动力学模型，求解系统的固有振动特性；
[0012]S2：基于微元理论，通过构建未切削部分的切削厚度方程，建立线性切削力模型，求解机器人加工时铣刀的动态铣削力；
[0013]S3：建立移动铣削机器人大系统体动力学方程，利用增广特征矢量的正交性，实现移动铣削机器人大系统体动力学方程的解耦；然后通过步骤S1求解的固有振动特性以及步骤S2求解的铣刀的动态铣削力，利用龙格库塔法，结合模态叠加原理，求解机器人铣削刀尖点的振动响应。
[0014]为优化上述技术方案，采取的具体措施还包括：
[0015]进一步地，步骤S1的具体内容为：
[0016]S1.1：根据AGV、机器人、刀具、工件各大部件以及相互之间连接关系的自然属性，分解为若干个体元件与铰元件，对应各大部件实际位置与连接关系建立AGV
‑
机器人
‑
刀具
‑
工件刚柔耦合多体系统的动力学模型及其拓扑图，
[0017]S1.2：根据刚柔耦合多体系统的动力学模型及其对应的拓扑图建立系统积木式数值模型，自动推导系统的特征方程，求解系统的固有振动特性。
[0018]进一步地，步骤S2的具体内容为：
[0019]S2.1：基于微元理论，建立刀具坐标系，包括刀尖中心o、刀具的x轴、刀具的y轴、刀具的z轴；
[0020]S2.2：将刀刃沿z轴方向取微分段dz，用Ω表示切削刃在xoy平面上的投影，即对应微元位置角；当轴向高度为z'时，用δ表示切削刃对应角度比刃尖置后一个固定的角度，则：
[0021][0022]式中，n
c
为主轴转速，t是时间，β为刀具螺旋角，r为刀具半径；
[0023]S2.3：计算轴线高度z'的微元与刀尖的角度θ为：
[0024]θ＝Ω+(i
‑
1)φ
‑
δ,i＝1,2,
…
,N
[0025]式中，N为刀具齿数，φ＝2π/N为齿间角；
[0026]S2.4：则对于厚度为dz的轴向微元，未切削部分的切屑厚度方程为:
[0027]H(θ)＝fsin(θ)
[0028]式中，f＝v
f
/(n
c
N)表示每齿的进给量，v
f
表示进给速度；
[0029]S2.5：由于dz为微元，在t时刻凹槽与工件在dz高度的接触面积可以近似为H(θ)dz，则作用于铣削厚度为H(θ)的铣刀微元上的切向铣削力、径向铣削力及轴向铣削力可表示为:
[0030][0031]将铣削力转换到刀具坐标系下:
[0032][0033]则某一时刻，整把铣刀瞬时铣削力可表示为:
[0034][0035]式中，h1和h2为积分上下限，表示沿z
t
轴方向切削刃与工件接触部分上下两端的高度。
[0036]进一步地，步骤S3的具体内容为：
[0037]S3.1：建立移动铣削机器人大系统体动力学方程：
[0038]Mv
tt
+Cv
t
+Kv＝f
[0039]式中，M，C，K，v，f为体元件的参数矩阵，M为质量参数矩阵，表征体元件的质量分布；K为刚度参数矩阵，表征作用于体元件上的除阻尼力外的所有内力及其作用位置；C为阻尼参数矩阵，表征该体元件上的阻尼力及其作用位置；f为体元件所受本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种移动铣削机器人大系统动力学振动预测及抑制方法，其特征在于，包括以下步骤:S1：建立移动铣削机器人大系统，即建立AGV
‑
机器人
‑
刀具
‑
工件刚柔耦合多体系统的动力学模型，求解系统的固有振动特性；S2：基于微元理论，通过构建未切削部分的切削厚度方程，建立线性切削力模型，求解机器人加工时铣刀的动态铣削力；S3：建立移动铣削机器人大系统体动力学方程，利用增广特征矢量的正交性，实现移动铣削机器人大系统体动力学方程的解耦；然后通过步骤S1求解的固有振动特性以及步骤S2求解的铣刀的动态铣削力，利用龙格库塔法，结合模态叠加原理，求解机器人铣削刀尖点的振动响应。2.根据权利要求1所述的一种移动铣削机器人大系统动力学振动预测及抑制方法，其特征在于，步骤S1的具体内容为：S1.1：根据AGV、机器人、刀具、工件各大部件以及相互之间连接关系的自然属性，分解为若干个体元件与铰元件，对应各大部件实际位置与连接关系建立AGV
‑
机器人
‑
刀具
‑
工件刚柔耦合多体系统的动力学模型及其拓扑图，S1.2：根据刚柔耦合多体系统的动力学模型及其对应的拓扑图建立系统积木式数值模型，自动推导系统的特征方程，求解系统的固有振动特性。3.根据权利要求1所述的一种移动铣削机器人大系统动力学振动预测及抑制方法，其特征在于，步骤S2的具体内容为：S2.1：基于微元理论，建立刀具坐标系，包括刀尖中心o、刀具的x轴、刀具的y轴、刀具的z轴；S2.2：将刀刃沿z轴方向取微分段dz，用Ω表示切削刃在xoy平面上的投影，即对应微元位置角；当轴向高度为z'时，用δ表示切削刃对应角度比刃尖置后一个固定的角度，则：式中，n
c
为主轴转速，t是时间，β为刀具螺旋角，r为刀具半径；S2.3：计算轴线高度z'的微元与刀尖的角度θ为：θ＝Ω+(i
‑
1)φ
‑
δ,i＝1,2,
…
,N式中，N为刀具齿数，φ＝2π/N为齿间角；S2.4：则对于厚度为dz的轴向微元，未切削部分的切屑厚度方程为:H(θ)＝fsin(θ)式中，f＝v
f
/(n
c
N)表示每齿的进给量，v
f
表示进给速度；S2.5：由于dz为微元，在t时刻凹槽与工件在dz高度的接触面积可以近似为H(θ)dz，则作用于铣削厚度为H(θ)的铣刀微元上的切向铣削力、径向铣削力及轴向铣削力可表示为:将铣削力转换到刀具坐标系下:

【专利技术属性】
技术研发人员：李波，赵威，田威，廖文和，崔光裕，白权，
申请(专利权)人：南京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：