外文翻译机器人螺旋铣孔运动矢量建模与孔加工表面粗糙度的理论分析.doc

J.Cent.South大学（2013）20：1818年至1824年
DOI：10.1007/ sll771-013-1678-5

机器人螺旋铣孔运动矢量建模与孔加工表面粗糙度的理论分析
SHAN Yi-cai(单以才)，HE Ning(何宁)，LI Liang(李亮)，ZHAO wei(赵威)，YANG Yin-fei(杨吟飞)
1南京航空航天大学机电工程学院，南京210016，中国;;
2南京信息技术学院，南京210046，中国
◎中南工业大学出版社和施普林格出版社柏林海德堡2013

摘要：为了避免过多的轴向力的故障，在复杂的流程和频繁换刀钻孔机器出现的问题，新的制孔技术（即螺旋铣孔）中引入了设计一种新的机器人螺旋铣孔系统。这可能会进一步提高机器人的铣孔，在飞机数字化装配能力。分析螺旋铣孔的特点后，总结两个典型的机器人螺旋铣孔系统的优点和局限性。然后，在矢量分析法上建立螺旋铣孔运动矢量模型。最后，表面粗糙度的计算公式是根据螺旋铣孔的运动原理，那么的主影响推导对表面粗糙度工艺参数进行了分析。分析表明，孔理论表面粗糙度变穷人的工具速比和公转半径的增加。与此同时，粗糙度根据工具的增加而减小齿数。这项研究大大有助于粗糙度预测模型的螺旋铣孔加工。

关键词：螺旋铣孔;机器人制孔系统，矢量建模;理论表面粗糙度

1 引言

随着成功研制国内区域的航空公司ARJ.700和大飞机C919，更多的关注都集中在如何提高质量和装配孔的效率，在平面最终组装阶段[1-2]。由于这种优点自动化程度高，良好的柔韧性和低成本，由于这些优点，自动化程度高，柔韧性好，成本低，在大型和超大型飞机中机器人制孔系统正逐渐成为未来智能化的主要技术。
为了满足高效和精确的孔制定的要求，新的机械手制孔系统相继出现。目前，常用的技术是关节机器人钻孔技术。是考虑在低刚性和差承载力的串联机械手固有的缺陷，本钻孔系统的应用受到限制。近日，波音和Electroimpact公司联合开发的灵活的轨道自动送钻系统，其中真空吸盘吸附在工件表面上实现钻孔。现在，钻井系统已经成功应用在波音787，波音777和A380上。
西班牙M.Torres公司设计了爬壁机器人自动钻孔系统。在这个系统中，钻孔装置安装在机器人上在真空卡盘上完成吸附功能。所以，可避免特殊辅助工具。由于上述系统都使用真空吸附技术，这两个钻孔系统无法适应大的轴向力的场合。因此，这两个系统仅在小孔使用。随着航空部件制成的大洞的不断增加难切削材料（尤其是钛合金，碳纤维增强复合材料和高强度航空铝合金），迫切需要开发高效率，高精度的新钻孔系统[5-7]。
螺旋铣孔（即轨道铣孔），是新技术，它利用研磨的方式来实现打孔.T001运动技术常规钻孔的不是一个简单的组合和铣削，但是三维螺杆的相对运动刀具和工件。螺旋铣孔的过程包括围绕刀具的刀具旋转轴三个动作，刀具轴向进给，刀具围绕孔的轴线公转。该技术可以使不同的孔不断变化的工具，位置精度，几何精度和表面粗糙度变化的工具，满足需求[8-9]。因此，新的机器人制孔系统基于螺旋铣孔技术具有广阔的应用前景，在航空，航天领域和造船等[1 0-1 3]。然而，在切割过程机器人螺旋铣孔一直没有深研究。在这项工作中，机器人螺旋的造型矢量铣孔是在孔理论上的表面粗糙度进行建立和深入研究的。

2螺旋铣孔的特点和基于两个典型的加工方法关节机器人
2.1螺旋铣孔的特性
螺旋铣孔的原理如图1所示[14]。在螺旋铣孔，主运动是刀具的高速旋转和进给运动是相对于工件的刀具的螺旋进给。该进给运动是刀具和工件之间的公转进给组合运动和轴向进给。因此，螺旋铣孔有以下特点：
工件
螺旋路径
刀具
：进给在轴线方向
：刀具旋转速度
：刀具转速
孔中心线
刀具中心线
：刀具旋转半径

图1 螺旋铣孔的示意图

1）由于旋转半径存在，孔直径是由刀具直径和旋转半径来确定。所以，铣孔技术具有良好的弹性。
2）旋转半径可在线路进行调整。因此，螺旋铣削不仅可生成圆柱孔和圆锥孔，而且有正确的位置误差。此外，它提高了孔的加工精度。
3）不连续的螺旋铣削实现短暂切屑， 这有助于实现自动排屑和提高孔的质量。
4）不连续的螺旋铣削要保证刀具足够的冷却时间。同时，较小的刀具直径有助于受热刀具的耗散。这样，刀具具有在低的温度加工。
5）相对于传统的钻孔，螺旋铣孔大大降低轴向力。因此，该研磨方法是适用于制造精确的硬质固化材料的孔。
2.2两种典型的加工方法
据螺旋送进的实现形式，机器人螺旋铣孔有两种典型的加工方法。在第一加工方法。螺旋送进是通过刀具轴向进给和工件旋转实现。如图2所示（一）。另一种方法使用刀具的轴向进给和工具的公转，实现螺旋铣削，原理示于图2（b）。
工件
末端执行单元
机器人
工件
末端执行单元

B
图2 两种典型的加工方法螺旋铣削保持（一）工件运动插值;（二）工具转

在图2（a）中，两个线性运动的插值实现工件旋转。为了保证良好的精度，这种加工方法在处理上有较高的进给驱动加速度，刚度和硬度要求的特性。因此，世界各地的学者们通常会选择螺旋铣孔，通常选用世界各地高速精密加工中心。由于螺旋送进是由工件装载平台和主轴完成的，螺旋研磨孔的过程中很容易实现。然而，工件体积由装载平台的尺寸的限制。
在图2（b）所示，通过刀具公转完成围绕孔的轴线。第二种加工方法可以避免由于插值的加工误差运动。为主轴实现旋转，轴向进给并同时公转，不必调整工件的嵌入姿势。因此，第二方法是很适合于在大和超大型工件的自动制孔制造。但是，它需要复杂的运动机构。

3机器人螺旋铣削孔矢量模型
3.1机器人螺旋铣削系统工作流程
机器人螺旋磨边系统主要由机器人平台，末端执行器的制孔，自动测量设备寻求孔标记点和控制平台。末端执行器和自动测量装置安装在机器人平台。螺旋磨边之前，末端执行器是由机器人平台的自动测量设备的引导下发送到特定位置。用于确定所述孔标记点的检测算法在参考文献中所示。[5]。在结束时，端部执行器是实现螺旋磨边的运动。机器人螺旋磨边系统的工作过程中显示如图3所示。
3.2工件运动插值与螺旋铣孔的矢量模型
虽然已经提出进行了深入研究螺旋铣削孔的运动学，运动矢量模型的研究，目前仍然缺乏。开发基于螺旋铣削技术的机器人制孔系统，矢量方程应该找到来形容螺旋铣削孔的运动。因此，从根本上矢量模型需要在空间中的坐标系统来建立。图4给出了当工件移动螺旋铣孔的基本矢量模型。为了易于学习，工件插补运动取代有工件旋转。根据由自动测量设备检测出的孔标记点的姿势，一个新的绝对坐标系统被建立在模型中。这两个相对坐标系和除z外，都涉及到工件上。这两个坐标系的平移和旋转坐标系统标注孔点与末端执行器之间。相关刀具相对坐标系刀具的轴向进给坐标系和刀具旋转坐标系。编译坐标系统由的沿向量和的平移形成。在，的原点由刀具轴向进给矢量描述。该刀具旋转载体描述加工运动过程中切削刃的位置向量。切削刃在的位置矢量通过刀具轴向进给向量，刀具旋转矢量和两个轴向偏差向量和的合成。
---孔数
---刀具直径
---孔直径

结束
螺旋铣孔
调整
换刀
手眼校准
步入制作孔的工作状态
末端执行器姿势调整结束
机器人移动到在测试点
刀具中心点校准
大型工件孔位置标记点

图3 机器人螺旋铣孔工作进程

图4 螺旋铣孔矢量模型与工件的运动插值

在图4中，刀具由逆时针旋转在上的刀具旋转矢量被表示为

两个轴向偏差矢量显示在如下：

其中是刀具安全高度。
从中的转换矩阵被给定为

其中，表示轴向进给距离时工件公转了一圈。是工件转速。表示工件的旋转角度。
当转换到需要新的平移矩阵：

从转换矩阵由描述

其中是工件旋转角度。

中的前沿位置矢量P是获得：

上述表达式是当工件使螺旋铣孔插补运动基本矢量模型。

3.3刀具螺旋铣孔公转的矢量模型
在图2（b）中，没有必要调整工件在构成螺旋铣孔。因此，向量模型与工具公转螺旋铣孔是建立在图5。在这种模式下，一个新的绝对坐标系值也建立了基于孔的位置
机器人标志点坐标系｛｝。的原点是孔标记点。末端执行器的工作协调制度的建立，为了满足相关需求端之间位置效应和标记点。
其他三个相对坐标系统刀具公转坐标系统中，刀具轴向进给坐标系统，和刀具旋转坐标系统。在时，为原点是由刀具安全高度的矢量描述。该工具公转矢量E描述的合原点。刀具轴向进给矢量和旋转载体对应于在图4所示的矢量和。我们定义数作为切削刃在的位置矢量。这里，是四个矢量作为，，和的组合。

图5 螺旋铣孔刀具公转矢量模型

从到的变换矩阵给出

当转换到，新需要平移变换矩阵：

来自的变换矩阵为被描述为公式（8） 从转换矩阵被描述为式（9）

中的前沿位置矢量是表示为

表达(10)是螺旋的基本矢量模型铣孔与刀具公转。

4计算和孔表面的分析粗糙度
在螺旋铣孔的过程中，孔表面粗糙度Rz直接影响磨损性，耐疲劳性，和应力腐蚀的工件特征抵抗性。因此，高度重视应该对表面粗糙度。根据刀具运动原理，可以在孔表面粗糙度进行理论分析。

图6示出用于计算孔表面的模型粗糙度。当刀具旋转一个齿，刀具旋转角度是

其中Z是刀具齿数，是刀具的变速比自转和刀具公转。
从图6中，孔表面粗糙度Rz表示如

中，表示从点到点的距离，其被描述为

当代方程（11）和式（13）成等式（12），我们获得以下公式：

轨道刀具中心点
孔
第i刀具路径
工件
第（i +1）个刀具路径

图6 孔表面粗糙度理论计算模型

孔表面粗糙度图6理论计算模型等式（14）是表面的理论公式粗糙度螺旋铣孔。粗糙度是由刀具齿数，刀具直径，旋转速度。转速和公转半径几个参数来确定。
当刀具直径为12mm和孔径为23毫米，在图7中示出的是表面粗糙度与刀具齿数和速度比的关系。表面刀具牙齿和速比的降低粗糙度增大。在这里，刀具齿数对表面粗糙度的影响明显。两个参数对孔表面粗糙度低传动比和小刀具数加工尤其是当显著的影响。
图8显示了在三个参数的表面粗糙度，旋转半径和速度比，当刀具直径设置为12毫米刀具牙齿是2的关系。在这里，孔直径随刀具旋转半径的扩大而增加。在高速率，孔表面粗糙度略有增加。然而，它的变速比明显减小，变速比越小，更快的孔的表面粗糙度下降。
图9反映了旋转半径和转速比的对表面粗糙度的影响，当不同的工具被用于机器的孔。这里，不同工具的齿数为2，并且所述孔被加工都具有23毫米直径相同。可以得出的结论如下：1）当旋转半径逐渐增大，孔表面粗糙度如下增加的趋势;2）在大型旋转半径和低转速比，孔的质量变差。
从图7-9这些结论有很大的在优化过程中的控制参数的意义螺旋铣削。
刀刃
速比

图7为与和的关系（ =-23毫米，=12厂）
速比
旋转半径

图8为与和的关系（ =1 2毫米， =2）
速比
旋转半径/毫米

图9为与和的关系（=23毫米，=2）

5 结论
1）根据螺旋铣孔的原理，在机器人的螺旋铣刀两种典型方法特征进行了讨论和机器人的螺旋铣刀的工作过程进行了设计。关于机器人的螺旋铣刀的运动分析后，两种典型的螺旋研磨方法矢量方程推导出，这有助于实现移动控制螺旋铣孔。
2）孔表面粗糙度的分析模型是建立在螺旋铣孔的运动功能内的， 然后切割粗糙度参数的影响研究 该研究给出了在螺旋铣削过程中选择的刀具齿数，刀具半径，旋转半径和速度比合适的参数很好的借鉴。
3）在螺旋铣孔，表面粗糙度也通过切削环境下切削的类型，以及排屑等的实际过程因素的影响。因此，如何抵御基于理论和实验的有效组合，精确的粗糙模式将成为一个重要的研究方向。

参考文献 ：
[1] JIANG Cheng-yu,WANG Jun-biao．Key manufacturing technologiesof large aircraft development in China[J] Aeronautical Manufacturing Technology,2009(1)：28—31．(in Chinese)
[2] PO Yong,XU Guo—kang,XIAO Qing-dong,Automatic precisiondrilling technology of aircraft structural part [J] AeronauticalManufacmring Technology,2009,24：61—64．(in Chinese)
[3] DU Bao-mi,FENG Zi-ruing,YA0 Yan-bin,BI Shu-sheng．Robot drilling system for automatic drilling of aircraft component [J] Aeronautical Manufacturing Technology,2010(2)：47—50．(in Chinese)
[4] KE Ying-lin,YANG Wei—dong,YAO Bao-guo,DONG Hui-yue. System and method of cutting and machining base on robot for aircraft assemble：CN,200810121353.1 [P] 2008-09-26．
[5] HE Ning,LI Liang,SHAN Yi-cai,YANG Yin—fei．Automatic wing-body docking hole-making system and method： CNl01804470B [P]．2012—02—22．
[6] ZHOU Wan-yong,ZHOU Fang,XUE Oui-jun,GAN Lu，DU Bao—rLli Research on automatic drill with five axes for flexible assembly of aircraft wing components [J] Aeronautical Manufacturing Technology,2010(2)：44～46．(in Chinese)
[7] LIANG Jie,BI Shu-sheng．Effects of drill end effector’s mounted method on tbe robot performance [J]．Joumal of Mechanical Engineering,2010,46(21)：13—18．
[8] DENKENA B,BOEHNKE D,DEGE J H,Helical milling of CFRP-titaninm layer compounds [J].CIRP Journal of Manufacturing Science and Technology,2008，1(2)：64—69．
[9] IYER R,KOSHY只NG E,Helical milling：An enabling technology for hard machining precision holes in AIsI D2 tool steel [J] International Joumal of Machine Tool＆Manufacture，2007．47： 205-210．
[10] ERJC WHINNEM,Development and deployment of orbital drilling at Boeing [C] //Aerospace Automated Fastening Conference and Exposition．Toulouse．France，,2006-01-3152．
[11] ERJC WHINNEM,GARY LIPCZYNSKI,Development of orbital drilling for出e Boeing 787[J1．SAE International Journal of Aerospace，2009,1(1)：811-816．
[12] BENOIT MARGUET’ FREDERIC WIEGERT, OLIVIER LEBAHAR．BERTRAND BRETAGNOL，FAHRI OKCU．Ericsson Ingvar．Advanced portable orbital·drilling unit for airbus final assembly lines [c] //Aerospace Automated Fastening Conference and
Exposition．Los Angeles，USA，2007-01-3849．
[13] NI Wang—yang．Orbital drilling of aerospace materials [c] //Aero Tech Congress and Exhibition．Los Angeles，USA，2007-01-3814．
[14] BRⅢKMEIER E．FANGMANN S．MEYER I．0rioital drilling kinematics [J] Production Engineering(WGP)，2008，2(1)：277—283．
[15]SHAN Yi—cai，HE Ning，LI Liang，ZHAO Wei，FANG Wel Spindle’s prompt normal posture alignment metllod for assembly hole—making on large suspended panel [J]．Mechanical Science and Technology forAerospace Engineering，2011，11：1844-1849．
目 录

第一章 总 论 1
一、项目提要 1
二、可行性研究报告编制依据 2
三、综合评价和论证结论 3
四、存在问题与建议 4
第二章 项目背景及必要性 5
一、项目建设背景 5
二、项目区农业产业化经营发展现状 11
三、项目建设的必要性及目的意义 12
第三章 建设条件 15
一、项目区概况 15
二、项目实施的有利条件 17
第四章 建设单位基本情况 19
一、建设单位概况 19
二、研发能力 20
三、财务状况 20
第五章 市场分析与销售方案 21
一、市场分析 21
二、产品生产及销售方案 22
三、销售策略及营销模式 22
四、销售队伍和销售网络建设 23
第六章 项目建设方案 24
一、建设任务和规模 24
二、项目规划和布局 24
三、生产技术方案与工艺流程 25
四、项目建设标准和具体建设内容 26
五、项目实施进度安排 27
第七章 投资估算和资金筹措 28
一、投资估算依据 28
二、项目建设投资估算 28
三、资金来源 29
四、年度投资与资金偿还计划 29
第八章 财务评价 30
一、财务评价的原则 30
二、主要参数的选择 30
三、财务估算 31
四、盈利能力分析 32
五、不确定性分析 33
六、财务评价结论 34
第九章 环境影响评价 35
一、环境影响 35
二、环境保护与治理措施 35
三、环保部门意见 36
第十章 农业产业化经营与农民增收效果评价 37
一、产业化经营 37
二、农民增收 38
三、其它社会影响 38
第十一章 项目组织与管理 40
一、组织机构与职能划分 40
二、项目经营管理模式 42
三、技术培训 42
四、劳动保护与安全卫生 43
第十二章 可行性研究结论与建议 46
一、可行性研究结论 46
二、建议 47