【摘 要】
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碳纤维增强复合材料（CFRP）具有质量轻、强度高、抗腐蚀等特点。然而,由于CFRP材料的难加工特性使CFRP在加工过程中容易出现诸多加工损伤问题。相比于传统串联机器人,混联机器人具有高刚度、高精度等优点。此外,机器人切削过程中的动态特性成为影响加工质量的重要因素。因此,本文针对新型混联机器人TriMule,对不同纤维方向角CFRP铣削力建模、混联机器人动态特性、不同纤维方向角CFRP铣削加工过程中
【基金项目】
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国家重点研发计划项目“基于混联机器人航空复材加工关键技术研究”（2017YFE0111300）； 国家自然科学基金面上项目“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”（51775373）； 国家自然科学基金青年项目“CFRP制孔表面质量表征及其对连接强度性能影响机理研究”（51705358）；
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碳纤维增强复合材料（CFRP）具有质量轻、强度高、抗腐蚀等特点。然而,由于CFRP材料的难加工特性使CFRP在加工过程中容易出现诸多加工损伤问题。相比于传统串联机器人,混联机器人具有高刚度、高精度等优点。此外,机器人切削过程中的动态特性成为影响加工质量的重要因素。因此,本文针对新型混联机器人TriMule,对不同纤维方向角CFRP铣削力建模、混联机器人动态特性、不同纤维方向角CFRP铣削加工过程中混联机器人刀尖点动态响应及其及对应的加工质量进行了研究。具体研究内容如下:（1）基于TriMule混联机器人加工平台,通过CFRP螺旋铣削实验,识别了不同切削条件下对应的切削力系数。分析发现,CFRP铣削过程中的径向、切向切削力系数可以表示为纤维切削角的三角函数,并在此基础上建立了不同纤维方向CFRP铣削力预测模型,且通过实验验证了该模型的准确性。（2）运用有限单元法、拉格朗日方程以及模态分析等理论,建立了TriMule混联机器人弹性动力学模型。在该模型的基础上,完成了对混联机器人工作空间内动态特性包括固有频率、振型以及频响函数的快速预估。同时,开展了相应的模态验证实验,结果表明理论预测结果和实验结果具有较好的一致性。（3）建立了TriMule混联机器人铣削系统的动力学模型,在此基础上分析了机器人铣削加工的稳定性。运用动态激励下的响应分析理论,研究了基于混联机器人CFRP铣削加工过程的动态响应特性。通过与五轴数控加工中心不同纤维方向角CFRP铣削加工质量的对比,研究了不同的表面质量表征指标对动态响应的敏感程度,并选取了相应的指标来评估CFRP铣削加工表面质量。基于所选指标,研究了机器人刀尖点动态响应对加工质量的影响规律。本文研究成果能为进一步提高混联机器人复合材料铣削加工质量,拓展混联机器人在航空制造业的应用提供重要参考。
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