[发明专利]一种机器人铣削颤振预测与主模态分析方法

说明书

本发明属于机器人铣削加工相关技术领域，其公开了一种机器人铣削颤振预测与主模态分析方法，所述方法包括以下步骤：(1)构建考虑再生颤振效应的动态切削力模型，并将动态切削力模型与考虑模态耦合效应的机器人动力学模型相结合，以进行模态空间质量归一化转换而得到最终的动力学模型；(2)依据所述动力学模型分析机器人不同模态下的动态切厚随转速的变化，继而确定模态影响因子，并采用所述模态影响因子来判断某一工况下机器人铣削颤振稳定性的主导模态，以为机器人铣削稳定性预测提供模态选择依据；其中，所述模态影响因子为前后两次刀刃波纹相位差。本发明节省了运算资料，提高了稳定性预测效率。

技术领域

本发明属于机器人铣削加工相关技术领域，更具体地，涉及一种机器人铣削颤振预测与主模态分析方法。

背景技术

由于机器人本体结构的相对弱刚性，机器人铣削加工系统稳定性分析需要同时考虑低频机器人模态与高频刀具模态对整个系统的影响。因此，对机器人铣削加工稳定性的预测，需要建立多阶模态稳定性模型，但多模态稳定性模型同样具有计算量过大，运算时间过长的缺点，且无法明确机器人铣削系统中不同阶模态对颤振发生的影响程度。如何利用机器人多阶模态的特性，以及各模态对引发颤振的动态切厚的作用随转速的变化规律，进行颤振主影响模态分析，提出快速判断主影响模态的模态影响因子，是简化机器人铣削稳定性预测方法，明确机器人颤振模态，便于颤振抑制目标选取的重要手段。

对于机器人铣削加工中的颤振机理，已有学者基于机器人位姿依赖性、交叉频响性以及多阶模态性进一步修正或者明确了机器人在铣削稳定性预测模型，提高了机器人铣削稳定性预测的准确性。2012年，华中科技大学张小明等在Int.J.Mach.Tools Manuf.上发表文章Milling stability analysis with simultaneously considering thestructural mode coupling effect and regenerative effect首次在动力学方程中引入了交叉频响，并论证了交叉频响对铣削系统稳定性的影响效果。美国Georgia Instituteof Technology的LejunCen等分别在2017、2018年于Journal of ManufacturingProcesses和J.Mach.Scie.Eng.Trans.ASME中发表CCT-based mode coupling chatteravoidance in robotic milling和A Method for Mode Coupling Chatter Detectionand Suppression in Robotic Milling，他们认为机器人铣削失稳的主要原因是模态耦合型颤振，建立了考虑机器人刚度切削参数变化的CCT刚度模型，从而通过控制机器人的主刚度方向和铣削力矢量之间的夹角来稳定机器人铣削系统。2019年，加拿大University ofBritish Columbia的Altintas等在Robot.Comput.Integr.Manuf.发表文章Chatterstability in robotic milling将机器人模态耦合型颤振(低频)与再生颤振(高频)分开研究，并总结了高低转速下的最适加工工况，绘制了不同模态下的Lobe图，第一次考虑机器人的多模态特性，对各阶模态的SLD分别进行了分析。另外还有很对学者也对机器人稳定性进行了研究，均有不同的侧重点，在此不作赘述。目前对机器人的交叉频响特性与位姿依赖特性进行了一定的研究，但是对于机器人多模态的特性研究仍比较少，且计算复杂，需要对各阶模态分别进行计算，计算资源占用巨大，且不能获取多因素耦合作用下的Lobe图，仅可提取各阶模态单独作用下的稳定性Lobe图。因此，对于机器人铣削多因素耦合下的稳定性预测，以及如何判断当前工况下的主影响模态进而简化模型，节约运算资源，还有待深入研究。

发明内容