一种考虑本体结构振动的机器人铣削加工稳定性预测方法技术

本发明专利技术属于铣削加工领域，并具体公开了一种考虑本体结构振动的机器人铣削加工稳定性预测方法，其包括如下步骤：构建考虑刀工分离和时变过程阻尼带来的阻尼力的动态切削力模型，根据该动态切削力模型，结合机器人动力学方程，得到多倍时滞切削状态的离散图；根据多倍时滞切削状态的离散图计算机器人结构低频振动周期内所有齿通周期的过渡矩阵，并根据机器人铣削加工参数计算过渡矩阵特征值的模；若特征值的模均小于1，则系统稳定，否则系统不稳定。本发明专利技术建立了刀具工件分离模型、时变过程阻尼模型，提出切触状态相关时滞系数，基于此建立了考虑机器人本体结构振动的铣削再生颤振稳定性模型，实现了机器人铣削加工稳定性的准确预测。准确预测。准确预测。

【技术实现步骤摘要】
一种考虑本体结构振动的机器人铣削加工稳定性预测方法


[0001]本专利技术属于铣削加工领域，更具体地，涉及一种考虑本体结构振动的机器人铣削加工稳定性预测方法。

技术介绍

[0002]目前关于机器人铣削稳定性的研究报导中，重点关注了主轴
‑
刀具或机器人模态在不同稳定性模型下的表现以及不同转速下颤振的区别。尚未考虑弱刚性的机器人铣削系统的结构低频振动对稳定性的影响。然而机器人铣削加工中具有振幅较大的结构低频振动，常规的动力学模型中无法考虑该成分对加工稳定性的作用。因此，低频振动对刀具工件相互作用力和几何关系的作用机理有待研究，建立考虑机器人结构低频振动的铣削稳定性预测模型，有助于实现更为精准的机器人无颤振切削参数的预测。
[0003]目前考虑低频振动的机器人铣削稳定性研究十分匮乏，仅有Mohammadi等人开展了轴向低频振动对铣削再生颤振的影响的相关研究。他们考虑了机器人振动导致的刀具轴向低频振动，将该振动直接引入稳定性求解过程中，实现了相应的稳定性建模与求解。然而，由于只考虑了轴向振动，新模型的预测结果与实际加工中的稳定性仍存在较大的差异。

技术实现思路

[0004]针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本专利技术提供了一种考虑本体结构振动的机器人铣削加工稳定性预测方法，其目的在于，考虑机器人结构低频振动，实现机器人铣削加工稳定性的准确预测。
[0005]为实现上述目的，本专利技术提出了一种考虑本体结构振动的机器人铣削加工稳定性预测方法，包括如下步骤：
[0006]S1、根据动态切削力模型，结合机器人动力学方程，得到多倍时滞切削状态的离散图；
[0007]所述动态切削力模型具体如下：
[0008][0009]其中，F
x
、F
y
分别为x和y方向的动态切削力，x(t),y(t)分别为t时刻在x和y方向的动态位移，x方向为进给向，y方向为法向；C
pd,ij
(t)为过程阻尼系数，A
ij
为动态切削力系数，B
ij
为动态过程阻尼系数，τ为时滞系数，i表示第i个切削微元，j表示第j个刀齿，T
tp
为齿通周期时间，M为总切削微元数，N为总刀齿数，dz为轴向微元高度；为当前径向接触角，为当前切削状态的单位阶跃函数；
[0010]S2、根据多倍时滞切削状态的离散图计算机器人结构低频振动周期内所有齿通周期的过渡矩阵，并根据机器人铣削加工参数计算过渡矩阵特征值的模；若特征值的模均小
于1，则系统稳定，否则系统不稳定。
[0011]作为进一步优选的，当前切削状态的单位阶跃函数其中，为第一单位阶跃函数，用于表示当前切削刃微元是否参加切削；为第二单位阶跃函数，用于表示径向刀具工件是否分离。
[0012]作为进一步优选的，第一单位阶跃函数具体如下：
[0013][0014]其中，为当前径向接触角，为切入角，为切出角。
[0015]作为进一步优选的，第二单位阶跃函数具体如下：
[0016][0017]其中，h
rv,ij
为机器人结构低频振动导致的切厚变化，h
ij
(t)为当前切削厚度。
[0018]作为进一步优选的，当前切削厚度计算方式如下：
[0019][0020]其中，f
t
为每齿进给量，t为当前时刻，T
tp
为齿通周期时间，T
rv
为单个低频振动周期时间，符号“\”表示取余运算。
[0021]作为进一步优选的，时滞系数τ的确定方式如下：
[0022][0023]其中，h
dy,ij
为切削厚度变化量，t为当前时刻，T
tp
为齿通周期时间，n为需分析的齿通周期个数，T
rv
为单个低频振动周期时间，符号表示向上取整运算。
[0024]作为进一步优选的，过程阻尼系数C
pd,ij
(t)根据时变过程阻尼确定；
[0025]时变过程阻尼计算式如下：
[0026][0027]其中，分别为径向、切向的时变过程阻尼，S
rd,ij
(t)为时变总压痕面积，K
d
是与材料相关的压痕系数，α为代表实际缩进量的比例因子，μ代表切向与径向切削力系数比。
[0028]作为进一步优选的，时变总压痕面积S
rd,ij
(t)的计算方式如下：
[0029]S
rd,ij
(t)＝S
rst,ij
(t)+S
rdy,ij
(t)
[0030][0031][0032]其中，S
rst,ij
(t)为时变动态压痕面积，S
rdy,ij
(t)为时变静态压痕面积；r
h
是刀具刃口半径，β
rs,ij
为动态分离角，γ是刀具后角；L
rpd,ij
(t)为动态压痕长度，r
v,ij
(t)表示刀齿径向振动速度，V
ctp
表示刀齿切向速度。
[0033]作为进一步优选的，步骤S3中，通过一系列的多倍时滞切削状态的离散图，构建出单个时间周期内的过渡矩阵，进而计算得到机器人结构低频振动周期内的所有齿通周期的过渡矩阵。
[0034]总体而言，通过本专利技术所构思的以上技术方案与现有技术相比，主要具备以下的技术优点：
[0035]1.本专利技术考虑机器人结构低频振动所引起的刀具切向二自由度的低频振动，并考虑刀具工件切触状态变化，构建了考虑刀工分离和时变过程阻尼带来的阻尼力的动态切削力模型，基于此建立了考虑机器人本体结构振动的铣削再生颤振稳定性模型，从而实现了机器人铣削加工稳定性的准确预测，为机器人稳定性优化奠定理论基础。
[0036]2.本专利技术建立了具体的径向、切向刀具工件分离模型与时变过程阻尼模型，对刀具工件的切触状态变化机理进行描述；提出了切触状态依赖的时滞系数，并基于此建立考虑机器人本体结构振动的稳定性预测模型。
[0037]3.本专利技术研究不同姿态下机器人结构振动对该狭窄稳定域的影响，发现柔度较高的机器人姿态，具有更明显的刀具
‑
工件分离，更大的时变过程阻尼与更突出的狭窄稳定域，该方法能够准确选择在机器人铣削中，狭窄稳定域内具有较好稳定性的主轴转速，实现机器人铣削的稳定性优化。
附图说明
[0038]图1为本专利技术实施例考虑机器人结构低频振动的切削厚度示意图，其中，(a)为前三个齿通周期切削厚度，(b)～(d)为第一至第三刀齿切削时刻；
[0039]图2为本专利技术实施例机器人结构低频振动对切削过程的影响分析图，其中，(a)为切削区域，(b)～(e)分别表示t＝T
tp
、2T
tp
、3T
tp
、4T
tp
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种考虑本体结构振动的机器人铣削加工稳定性预测方法，其特征在于，包括如下步骤：S1、根据动态切削力模型，结合机器人动力学方程，得到多倍时滞切削状态的离散图；所述动态切削力模型具体如下：其中，F
x
、F
y
分别为x和y方向的动态切削力，x(t),y(t)分别为t时刻在x和y方向的动态位移，x方向为法向，y方向为进给向；C
pd,ij
(t)为过程阻尼系数，A
ij
为动态切削力系数，B
ij
为动态过程阻尼系数，τ为时滞系数，i表示第i个切削微元，j表示第j个刀齿，T
tp
为齿通周期时间，M为总切削微元数，N为总刀齿数，dz为轴向微元高度；为当前径向接触角，为当前切削状态的单位阶跃函数；S2、根据多倍时滞切削状态的离散图计算机器人结构低频振动周期内所有齿通周期的过渡矩阵，并根据机器人铣削加工参数计算过渡矩阵特征值的模；若特征值的模均小于1，则系统稳定，否则系统不稳定。2.如权利要求1所述的考虑本体结构振动的机器人铣削加工稳定性预测方法，其特征在于，当前切削状态的单位阶跃函数其中，为第一单位阶跃函数，用于表示当前切削刃微元是否参加切削；为第二单位阶跃函数，用于表示径向刀具工件是否分离。3.如权利要求2所述的考虑本体结构振动的机器人铣削加工稳定性预测方法，其特征在于，第一单位阶跃函数具体如下：其中，为当前径向接触角，为切入角，为切出角。4.如权利要求2所述的考虑本体结构振动的机器人铣削加工稳定性预测方法，其特征在于，第二单位阶跃函数具体如下：其中，h
rv,ij
为机器人结构低频振动导致的切厚变化，h
ij
(t)为当前切削厚度。5.如权利要求4所述的考虑本体结构振动的机器人铣削加工稳定性预测方法，其特征在于，当前切削厚度计算方式如下：其中，f
t
为每齿进给量，t为当前时刻，T
tp
为齿通周期时间，T
rv
为单个低频振动周...

【专利技术属性】
技术研发人员：唐小卫，彭芳瑜，辛世豪，闫蓉，杨慰，吴嘉伟，
申请(专利权)人：华中科技大学，
类型：发明
国别省市：