一种大型水轮机顶盖在位机器人减材加工方法及系统技术方案

本发明专利技术公开了一种大型水轮机顶盖在位机器人减材加工方法及系统，包括以下步骤：

【技术实现步骤摘要】
一种大型水轮机顶盖在位机器人减材加工方法及系统


[0001]本专利技术涉及机器人加工
，尤其涉及一种大型水轮机顶盖在位机器人减材加工方法及系统
。

技术介绍

[0002]水轮发电机组的顶盖作为水轮发电机组最重要的过流部件之一，在机组运行过程中长期受到水流空蚀作用，在过流面会形成很多空蚀坑，对机组安全运行带来了极大的安全隐患
。
在检修过程中，需要对空蚀区域进行材料去除，然后再补焊打磨，由于空蚀区域面积和去除深度大（以某型号水轮发电机组为例，周长约
40m
，宽度约
14cm
，去除深度达
10mm
）
、
检修工期短（顶盖不返回原厂进行维修，在顶盖所处电站位置进行维修），因此给减材加工工艺带来巨大挑战
。
传统的减材加工工艺，如砂轮打磨，要达到高效率减材加工，所需的设备尺寸大
、
重量重
、
不方便转场，在现场有限空间内施工难度极大
。
[0003]为此，我们设想了一种大型水轮机顶盖在位机器人减材加工方法及系统，该水轮发电机组大型顶盖在位大去除量减材加工采用轻量化大负重比机器人铣削加工技术实现大型顶盖的高效率空蚀区域减材加工
。
但是由于采用的是轻量化机器人，不能忽略机器人刚度在作业过程中带来的颤振，该颤振将直接影响后期的加工质量以及刀具的使用
。

技术实现思路

[0004]本专利技术要解决的技术问题是：解决上述
技术介绍
中存在的问题，提供一种大型水轮机顶盖在位机器人减材加工方法，通过颤振稳定性
lobe
图得到稳定加工工艺参数
。
[0005]本专利技术要解决的第二个技术问题是：提供一种采用一种大型水轮机顶盖在位机器人减材加工方法的系统，用于大型水轮机顶盖的在位铣削加工
。
[0006]为了实现上述的技术特征，本专利技术的目的是这样实现的：一种大型水轮机顶盖在位机器人减材加工方法，包括以下步骤：
S1
：通过模态锤击实验获得机器人加工刀具端频响数据；
S2
：通过模态分析软件获取模态参数；
S3
：通过有阻尼系统的自由振动方程求得阻尼
[C ]和刚度
[K]矩阵；
S4
：建立三自由度机器人加工系统动力学模型；
S5
：通过标定实验得到刀具铣削力系数；
S6
：求解动力学方程；
S7
：绘制铣削加工机器人颤振稳定性
lobe
图；
S8
：根据颤振稳定性
lobe
图得到稳定加工工艺参数
。
[0007]在
S1
中，进行模态锤击实验时，将加速度传感器放置在铣削电主轴靠刀具一端，用锤头轻锤刀具的尖端，使用振动采集平台对加速度传感器采集的频响数据进行采集
。
[0008]在
S2
中，通过模态分析软件对采集到的频响数据进行分析，得到频响函数，然后对频响函数求解得模态参数，其中，模态参数包括模态质量矩阵
[M]。
[0009]在
S4
中，三自由度机器人加工系统的动力学模型包括在
X
轴建立
K
x
和
C
x
参数的动力学方程，在
Y
轴建立
K
y
和
C
y
参数的动力学方程，在
Z
轴建立
K
z
和
C
z
参数的动力学方程
。
[0010]在
S5
中，通过标定实验得到铣削力系数矩阵
[K
c
]。
[0011]在
S6
中，动力学方程为： ；式中，
[M]、[C]、[K]分别表示机器人刀具端模态质量
、
阻尼与刚度矩阵；
[K
c
]表示铣削力系数矩阵；
t、T
分别表示当前时刻和刀齿周期；
x
（
t
）
‑
x
（
t
‑
T
）
、y
（
t
）
‑
y
（
t
‑
T
）
、z
（
t
）
‑
z
（
t
‑
T
）
、
分别表示
X、Y、Z
方向上产生的动态切削厚度
。 、 和 分别表示刀具端在
X、Y、Z
方向上的动态位移， 、 和 分别为 、 和 的一阶导数， 、 和 分别为 、 和 的二阶导数
。
[0012]在
S7
中，在
S7
中，通过数值积分法对动力学方程进行求解，通过求解得到的结果，绘制机器人加工的颤振稳定性
lobe
图
。
[0013]在
S8
中，获得颤振稳定性
lobe
图后，通过颤振稳定性
lobe
图确定无颤振铣削工艺参数，在颤振稳定性
lobe
图中，稳定边界下方的工艺参数为切削时不会发生颤振的参数；其中，工艺参数包括铣削电主轴的转速和刀具的铣削深度
。
[0014]一种大型水轮机顶盖在位机器人减材加工系统，采用了所述的一种大型水轮机顶盖在位机器人减材加工方法，加工系统包括机器人
、
铣削电主轴，所述机器人的自由端安装有六位力传感器，铣削电主轴安装在六位力传感器上，机器人的固定端安装在机座上；所述铣削电主轴的输出轴上用于安装铣削用的刀具
。
[0015]所述铣削电主轴的一侧还安装有视觉装置
。
[0016]本专利技术有如下有益效果：
1、
本专利技术中，由于采用了轻量化的机器人，机器人的刚性相对较差，更容易在铣削加工过程中发生颤振现象，颤振会导致表面加工质量
、
刀具振动加大导致刀具卡死
、
崩刃等，因此通过颤振稳定性
lobe
图来确定无颤振稳定铣削加工工艺参数，使铣削加工在无颤振工况下稳定的铣削加工，保证了加工质量和刀具的耐久性，实现对水轮发电机组大型顶盖的在位铣削减材加工
。
[0017]2、
通过颤振稳定性
lobe
图，采用稳定边界下方的工艺参数加工，能够对颤振进行抑制，不会发生颤振，对稳定边界下方的工艺参数进行分析，可以找到最佳的加工工艺参数，以提高铣削效率
。
[0018]3、
加工系统采用六维力传感器
、
视觉本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.
一种大型水轮机顶盖在位机器人减材加工方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1
：通过模态锤击实验获得机器人加工刀具端频响数据；
S2
：通过模态分析软件获取模态参数；
S3
：通过有阻尼系统的自由振动方程求得阻尼
[C]
和刚度
[K]
矩阵；
S4
：建立三自由度机器人加工系统动力学模型；
S5
：通过标定实验得到刀具铣削力系数；
S6
：求解动力学方程；
S7
：绘制铣削加工机器人颤振稳定性
lobe
图；
S8
：根据颤振稳定性
lobe
图得到稳定加工工艺参数
。2.
根据权利要求1所述的一种大型水轮机顶盖在位机器人减材加工方法，其特征在于，在
S1
中，进行模态锤击实验时，将加速度传感器放置在铣削电主轴（4）靠刀具（5）一端，用锤头轻锤刀具（5）的尖端，使用振动采集平台对加速度传感器采集的频响数据进行采集
。3.
根据权利要求1所述的一种大型水轮机顶盖在位机器人减材加工方法，其特征在于，在
S2
中，通过模态分析软件对采集到的频响数据进行分析，得到频响函数，然后对频响函数求解得模态参数；其中，模态参数包括模态质量矩阵
[M]。4.
根据权利要求1所述的一种大型水轮机顶盖在位机器人减材加工方法，其特征在于，在
S4
中，三自由度机器人加工系统的动力学模型包括在
X
轴建立
K
x
和
C
x
参数的动力学方程，在
Y
轴建立
K
y
和
C
y
参数的动力学方程，在
Z
轴建立
K
z
和
C
z
参数的动力学方程
。5.
根据权利要求1所述的一种大型水轮机顶盖在位机器人减材加工方法，其特征在于，在
S5
中，通过标定实验得到铣削力系数矩阵
[K
c ]。6.
根据权利要求1所述的一种大型水轮机顶盖在位机器人减材加工方法，其特征在于，在
S6
中，动力学方程为：；式中，
[M]、[C]、[K]
分别表示机器人刀具端模态质量
、
阻尼与刚度矩阵；
[K<...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘辉，吴涛，耿在明，邓键，杨小龙，杨杰，嵇东雷，张晓平，姚健，张维维，李咏超，文轩，佘蜜，
申请(专利权)人：武汉数字化设计与制造创新中心有限公司，
类型：发明
国别省市：