[发明专利]一种机器人钻削不锈钢板材出口毛刺高度预测方法

说明书

本发明提出一种机器人钻削不锈钢板材出口毛刺高度预测方法，其预测方法如下：首先基于机器人的刚度矩阵，求得不同方向上机器人末端刚度；其次，对钻削过程中主切削刃以及横刃上的轴向力进行分析，基于微元法建立钻削轴向力解析模型；再次，以模态耦合颤振理论为指导建立机器人制孔系统颤振模型以及强迫振动模型；接着，建立以切削力、振动作为核心元素的毛刺高度预测机理模型：最后，基于两种毛刺在不同加工参数下的能量比预测毛刺高度参数，并进行相应钻削实验对模型有效性进行验证。本发明通过在考虑机器人制孔刚度较差的同时，将钻削力、系统振动等影响系统工作状态的主要特性考虑进去，建立钻削毛刺高度的预测模型。

技术领域

本发明涉及一种机器人制孔系统钻削不锈钢板材出口毛刺高度预测方法，属于机器人系统加工技术领域。

背景技术

地面防空战车的发射系统与车架之间主要依靠螺栓连接，制孔是战车装配环节的重要工序。战车在装配过程中需要在奥氏体不锈钢连接板上钻削数十个安装孔，由于传统机床无法在跨度大的战车车架上进行钻孔，只能以人工的方式进行钻孔，主要缺点包括：效率低，孔位精度难以保证，制孔缺陷多，返工返修频繁，刀具易断等。为提高其制孔效率，需要引进自动化制孔设备进行相应的制孔工作。

使用以六轴工业机器人为主体的机器人制孔系统进行战车制孔时，由于战车车架连接板的材料奥氏体不锈钢属于难加工材料，其塑性大、韧性高，钻孔后易产生出口毛刺。同时，多关节机器人制孔系统整体刚度较低，在不锈钢材料连接件上进行钻孔时，在钻削力的激励作用下易产生变形与颤振，造成钻孔毛刺更加严重。由于毛刺产生部位周边的应力集中，容易造成安装孔周围材料疲劳失效，从而有可能引起严重事故。毛刺的去除是没有任何附加价值的过程，去除毛刺工作也耗费人力物力。

发明内容

本发明的目的是：通过准确建立钻削毛刺预测模型以提高机器人制孔质量，从而满足工业要求。

为了达到上述目的，本发明的技术方案是提供了一种机器人钻削不锈钢板材出口毛刺高度预测方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1、建立机器人制孔系统钻削时，工件所受钻削力的钻削力解析模型，在该钻削力解析模型中，工件所受的稳态钻削力由主切削刃部分的钻削力F_主、横刃部分的钻削力F_横以及副切削刃部分的钻削力F_副组成，其中，主切削刃部分的钻削力F_主由工件被钻削时产生的弹性抗力F_d与钻头和工件摩擦时所产生的摩擦力F_f组成；横刃部分的钻削力F_横由横刃切入工件所受阻力F_横1以及横刃部分所受剪切力轴向分力F_横2组成；剩余部分的钻削力由副切削刃部分构成，主切削刃部分的钻削力F_主与横刃部分的钻削力F_横基于微元法进行解析模型建立，副切削刃部分的钻削力F_副由其所占整体钻削的能量比计算而得；

步骤2、建立机器人制孔系统的钻削振动模型运动方程，钻削振动模型运动方程为基于模态耦合颤振理论的切削颤振模型运动方程与强迫振动模型运动方程的叠加：钻削时，力分为瞬态部分与稳态部分，稳态部分由步骤1计算而得，设瞬态部分与垂直于进给方向的瞬态位移x和进给方向的瞬态位移z有关，并且瞬时切削力大小与瞬时切削厚度大小成正比；根据基本振动方程建立切削颤振模型运动方程与强迫振动模型运动方程，最终钻削振动模型运动方程为切削颤振模型运动方程与强迫振动模型运动方程的叠加；

步骤3、建立两种情况下的出口毛刺高度解析模型：

第一种情形下，钻头最后突破了工件材料：钻削过程中，由于径向振动在钻头与孔壁间产生一个等于径向振幅的等效间隙δ，基于钢塑形假设建立第一种情况下毛刺高度模型H₁；

第二种情况下，钻头未刺穿工件材料：第二种情况由大塑性变形和弹性断裂共同造成，基于材料破坏应变与弹性断裂位置建立第二种情况下毛刺高度解析模型H₂。