面向机器人自动化叠层制孔过程的压紧力优化

摘要

在飞机孔效率，连接孔往往是在叠层状态下加工的。由于装配误差和轴向钻削力的影响，叠层件在加工过程中会产生层间间隙，给毛刺生长提供了物理空间。层间毛刺的存在不仅会降低装配精度影响装配质量，在受到周期交变载荷时连接部位还容易产生疲劳裂纹，从而降低飞机结构的抗疲劳性能。为满足飞机数字化装配的高质量和长寿命数字化装配过程中，为了保证装配孔的同轴度以及制的需求，控制叠层件制孔过程中的层间毛刺高度显得尤为重要。
　　相比于其它部位，叠层壁板制孔区域具有结构简单、刚度较弱等特点。在实际工程应用中，控制层间毛刺的主要方法是在制孔过程中施加单向压紧力来减小层间间隙，抑制毛刺的生长。目前选择压紧力的大小全凭工人经验，过低的压紧力达不到消除叠层间隙，抑制毛刺生成的作用，反之选取的压紧力过大又会使制孔时工件形变量过大，降低孔几何精度。因此有必要对飞机叠层壁板自动化制孔过程中所施加的预压紧力值进行优化。
　　本文首先综述了飞机数字化装配连接技术的研究与发展现状，阐述了机器人自动化制孔技术在国内外的最新研究成果和应用现状。同时，分析了制孔时叠层毛刺产生的原因以及单向压紧力技术对消除叠层毛刺的重要性，并详细介绍了关于毛刺控制技术得一些国内外研究成果。
　　然后，基于弹性力学相关理论对叠层制孔过程进行理论建模，阐述了压紧力消除叠层间隙的基本原理，并通过薄板小挠度理论计算出受压紧力和轴向钻削力共同作用时叠层壁板各处的挠度，从而得出消除叠层间隙所需要的最小压紧力。接下来，基于ABAQUS有限元软件，根据实际制孔参数对叠层制孔过程进行有限元建模与仿真，通过对比不同压紧力下的仿真结果，得到了最优压紧力并与理论分析结果进行对比，解释了误差产生的原因。
　　最后，以机器人自动化制孔系统为实验平台，在不同的压紧力下进行叠层制孔实验，分析比较不同压紧力对层间毛刺高度的影响，从而验证理论分析和有限元仿真的正确性。实验结果表明:随着压紧力的增加，层间毛刺高度呈现先减小后趋向稳定的趋势，在特定工艺条件下最优压紧力大约在350N左右，在优化后的压紧力下制孔，层间毛刺的高度可以控制在0.08mm以内，达到无毛刺制孔的要求。

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摘要

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第一章 绪论

1．1 引言

1．2 飞机数字化装配制孔技术发展研究成果综述

1．2．1 国外自动化制孔技术发展现状

1．2．2 国内自动化制孔技术发展现状

1．3 叠层制孔毛刺控制技术相关研究成果

1．4 论文研究背景和意义

1．5 论文研究内容和总体框架

第二章 机器人自动化制孔系统及制孔毛刺控制技术

2．1 系统主体结构

2．1．1 系统总体布局

2．1．2 制孔工业机器人

2．1．3 机器人移动平台

2．1．4 制孔末端执行器

2．1．5 激光跟踪仪

2．2 控制系统

2．2．1 控制系统主要功能及硬件组成

2．2．2 机器人运动控制

2．3 计算机控制软件系统

2．3．1 软件系统主要功能需求

2．3．2 软件系统功能模块

2．4 机器人叠层制孔毛刺控制关键技术

2．4．1 叠层毛刺生成机理

2．4．2 单向压紧毛刺控制技术

2．5 本章小结

第三章 压脚压紧力理论计算优化

3．1 叠层制孔原理分析

3．1．1 弹性力学基本理论

3．1．2 薄板小挠度理论

3．1．3 叠层板制孔预压紧力理论分析

3．2 最优压紧力计算

3．2．1 叠层制孔模型简化

3．2．2 模型应力应变理论分析

3．2．3 定义叠层制孔模型具体参数

3．2．4 最优压紧力计算

3．3 本章小结

第四章 机器人叠层制孔过程有限元仿真与分析

4．1 有限元分析技术

4．1．1 有限单元法基本理论

4．1．2 ABAQUS有限元分析软件简介

4．1．3 有限元分析基本步骤

4．1．4 有限元网格划分技术

4．2 飞机壁板叠层制孔模型建立

4．2．1 建立几何模型

4．2．2 模型网格划分

4．2．3 定义仿真分析过程

4．3 有限元仿真结果及其分析

4．3．1 壁板应力应变云图

4．3．2 平均制孔间隙

4．3．3 平板最大内应力

4．3．4 仿真结果分析

4．4 本章小结

第五章 机器人叠层制孔实验与分析

5．1 制孔实验平台搭建

5．1．1 机器人自动化制孔系统

5．1．2 实验材料以及刀具的选择

5．2 叠层制孔实验流程设计

5．2．1 轴向钻削力测量

5．2．2 毛刺尺寸测量

5．3 机器人叠层制孔实验

5．4 叠层制孔试验结果分析

5．4．1 叠层毛刺形态

5．4．2 叠层毛刺高度测量

5．4．3 实验结果分析

5．5 影响叠层毛刺尺寸的其他因素

5．5．1 工件的材料属性

5．5．2 刀具的结构性能

5．5．3 切削工艺参数

5．5．4 飞机壁板预连接结构

5．6 本章小节

第六章 总结与展望

6．1 总结

6．2 展望

参考文献