摘 要

随着工业自动化的发展，工业机器人的应用越来越广泛，但由于其动态特性较为复杂，并且会随着机器人的位姿而改变，所以在机械加工中应用较少。本文对铣削机器人末端的振动响应进行了研究，通过对刀尖的频响函数进行测试，将传统的铣削稳定性分析方法推广到机器人铣削系统中，研究了机器人在铣削加工中的颤振问题，研究结果可为实际加工提供理论参考。

本文以航天壁筒铣削加工的KUKA KR210型工业机器人为研究对象，在建模软件中测量了机器人的D-H参数，建立了机器人的连杆坐标系，分析了机器人的正逆运动学，并且利用MATLAB中的Robotics工具箱进行了仿真验证。

在此基础上推导了机器人动力学方程的封闭形式，并利用ADAMS动力学仿真软件对KUKA KR210机器人进行动力学仿真，分析其动力学特性，可为加工路径的选择提供参考，同时，利用ADAMS中的Vibration模块分析测试了KR210机器人模型的模态参数，并与实测值进行了比较。

然后从直角切削力学入手，建立了铣削加工的切削力预测模型，并且对航天壁筒铣削加工刀具-工件材料进行切削力系数标定，推导了铣削动态切削力的表达式，通过改变铣削加工参数，分析了对切削力的影响因素。

最后，在传统铣削颤振稳定性分析的理论基础上，通过对铣削机器人刀尖的频响函数测试，计算获得了机器人铣削加工的稳定性叶瓣图，并进行了仿真验证，可为实际加工中工艺参数的选择提供理论依据。

关键词：铣削机器人；切削力仿真；颤振；频响函数；铣削稳定性

Abstract

With the development of industrial automation, the application of industrial robots is more and more extensive, however, due to its complex dynamic characteristics, which will change with the robot's position and orientation, it is less used in machining. The objective of this thesis is to research the vibration response of the end of the milling robot. By testing the frequency response function of the tool tip, the traditional milling stability analysis method is extended to the robot milling system to study the chatter of the robot in the milling process, which can provide theoretical basis for practical processing.

This thesis takes KUKA KR210 industrial robot for milling space wall cylinder as the research object, the D-H parameters of the robot are measured in the modeling software to establish the robot by connecting rod coordinate system, and the kinematics of the robot is analyzed, then the Robotics toolbox in MATLAB is used for simulation verification.

Based on this, the closed form of the kinetic equation of the robot is deduced, and the dynamic simulation of the KUKA KR210 robot is carried out by ADAMS dynamic simulation software. The dynamic characteristics of the KUKA KR210 robot are analyzed and the reference is given to the selection of the machining path. At the same time, the ADAMS/vibration module is used to analyze the modal parameters of the KR210 robot model and the results are compared with the measured values.

Then, from the angle cutting mechanics, the cutting force prediction model of milling is established, and the cutting force coefficient is calibrated and the expression of dynamic cutting force is deduced. The milling parameters are analyzed by changing the milling parameters. The factors affecting the cutting force are analyzed.

Finally, based on the theory of the analysis of the stability of the traditional milling chatter, the stability of the robot is calculated by calculating the frequency response function of the milling robot's tool tip, and the simulation parameters are obtained to provide theoretical basis for the actual processing parameters.

Key words: milling robot , cutting force simulation, chatter, FRF, milling stability

目 录

摘要 I

Abstract II

目录 III

第1章 绪论 1

1.1 研究目的及意义 1

1.1.1 研究背景 1

1.1.2 研究目的及意义 2

1.2国内外研究现状 2

1.2.1 机器人铣削加工国内外研究现状 2

1.2.2 机器人加工颤振理论国内外研究现状 3

1.3 本文研究内容 3

第2章 机器人运动学建模与分析 6

2.1 机器人运动学模型建立 6

2.1.1 刚体位姿及坐标变换 6

2.1.2 齐次变换与齐次坐标 7

2.1.3连杆参数与连杆坐标系 7

2.2机器人运动学方程建立 8

2.2.1 连杆变换和运动学方程 8

2.2.2 KUKA KR210机器人模型及坐标系 9

2.2.3 机器人正运动学 11

2.2.4 机器人逆运动学 12

2.3 KR210机器人雅克比矩阵 15

2.3.1雅克比矩阵的定义 15

2.3.2 雅克比矩阵的构造 15

2.3.3 机器人力雅克比矩阵 16

2.4 本章小结 17

第3章 机器人动力学建模与仿真 18

3.1 牛顿-欧拉方程 18

3.2动力学逆问题的递推算法 19

3.3动力学方程的封闭形式 19

3.4 KR210机器人动力学仿真 20

3.5 本章小结 25

第4章 铣削加工力学模型 27

4.1 直角切削力学 27

4.2 切削力模型 28

4.3 铣削加工动态力学模型 29

4.4 切削力系数标定 31

4.5 切削力影响因素分析 34

4.6 本章小结 36

第5章 机器人铣削稳定性分析 37

5.1切削过程中的振动 37

5.1.1 系统振动机理 37

5.1.2 再生型颤振 37

5.2 铣削颤振建模 38

5.2.1 动态切削厚度 38

5.2.2 动态铣削力模型 39

5.2.3 颤振稳定性叶瓣图 40

5.3 机器人刀具端频响函数测试 43

5.3.1 多自由度模态分析 43

5.3.2 系统频响函数测试方法 44

5.3.3 机器人加工系统刀具端频响函数测试 44

5.4 机器人铣削加工稳定性叶瓣图 47

5.4.1 稳定性叶瓣图绘制 47

5.4.2 加工工艺参数优化 48

5.4.3 机器人铣削动态仿真 49

5.5 本章小结 51

第6章 总结与展望 52

6.1 总结 52

6.2 环境影响与经济分析 52

6.3 创新点 53

6.4 展望 54

参考文献 55

致谢 58

第1章 绪论

1.1 研究目的及意义

1.1.1 研究背景

自从进入工业自动化以来，机器人的应用领域越来越多，由于具有稳定性高、灵活性强、可重复编程、自由度多等诸多优点，工业机器人得到越来越广泛的使用。对于一些加工精度不高的零部件，现在已经可以采用工业机器人进行铣削加工，以达到其生产要求，如航空航天领域。同时，机器人相对于普通数控机床的成本低，工作范围广，并且能进行复杂路径规划。因此，国内外大量学者正在研究机器人在机械加工过程中所面临的问题，其中一些已经取得了重大的研究成果^[1]。如图1.1所示即为机器人正在进行铣削加工。

图1.1 铣削加工机器人

目前，工业机器人正再被广泛用于生产劳动中，但是从事的工作都是简单的工作，例如搬运、包装、喷涂等 ^[2]。为了减少工厂参与人数，就必须对机器人的工作复杂程度提出更高的要求，同时，对机器人自身的刚度和稳定性问题也提出了新的要求，以便能更好的在机械加工中获得更好的加工质量^[3]。

与现有应用领域不同，加工机器人末端执行器与外界发生力的作用，而且对工作路径的连续性控制精度要求很高，同时，机器人存在刚性较差的缺点^[4]。加工过程中的铣削力大小是周期变化的，当加工工艺参数选择不当，会导致其末端刀具产生持续的振动，从而影响工件加工质量^[5]。另外，本论文所研究的航天壁筒为铝合金薄壁零件，由于铝合金具有质量较轻，切削力系数小等诸多优异性能，在航天制造中得到广泛应用。同时，薄壁筒在加工中容易出现变形，需要采取一定的措施对其变形进行补偿^[6-8]，所以研究机器人铣削加工动态变形至关重要。