摘要
相比专用机床加工船用螺旋桨叶面，采用工业机器人进行铣削可以有效控制昂贵的设备成本，实现船用螺旋桨低成本制造。然而受工业机器人刚性差的影响，一般通过采用较为保守的工艺参数来避免颤振，但会导致低的材料去除率，因此为了提高加工效率需要采用大的工艺参数。但是盲目改变工艺参数不仅会引起机器人的颤振，也会加剧刀具磨损，增加换刀频率，这反而降低了加工效率。本文针对材料去除率、刀具磨损和切削稳定性三者之间复杂的矛盾关系，以切削状态稳定、刀具磨损较慢和加工效率最佳为目标优化工艺参数，为实现工业机器人对船用螺旋桨叶面高效加工提供参考。 （1）提出了基于跳动和倾角的刀具每齿重叠磨损分布模型。通过概率密度函数、线性变换、线性叠加和逆变换建立了刀具重叠磨损分布模型；通过刀具几何模型、切削刃磨损形态和坐标系齐次变换确定了磨损的切削刃轨迹模型；根据刀具的每齿铣削机理建立了每齿实际切削深度和切削接触点模型；通过每齿实际切削深度和切削接触点模型并结合磨损的切削刃轨迹模型，确定了刀具每齿重叠磨损分布模型。通过刀具磨损切削试验案例验证了所提出的刀具每齿重叠磨损分布模型的正确性，分析了刀具每齿重叠磨损分布及每齿重叠磨损数值。 （2）提出了基于刀具每齿重叠磨损的切削力模型。通过基于平行轴跳动的刀具运动路径模型和刀具磨损模型建立了基于刀具每齿重叠磨损的切削刃运动扫掠面模型，并基于瞬时未变形切屑厚度的定义构建了基于刀具每齿重叠磨损的瞬时未变形切屑厚度求解方程；通过对刀具切削刃所承受的切削深度在不同区域中的分析，确定了刀具与工件啮合区域沿轴ZT的上边界和下边界；将基于刀具每齿重叠磨损的瞬时未变形切屑厚度和刀具与工件啮合区域边界带入理想切削力模型中，建立了基于刀具每齿重叠磨损的切削力模型。通过对比文献中的切削试验数据验证了所提出的基于刀具每齿重叠磨损的切削力模型的正确性，分析了刀具每齿重叠磨损对切削力的影响。 （3）建立了工业机器人切削稳定性模型。通过建立机器人各关节处的坐标系，并利用D-H法确定了相邻关节坐标系的齐次变换矩阵；基于齐次变换矩阵并利用矢量积法确定了速度雅克比矩阵；根据柔度矩阵与刚度矩阵互逆的关系和机器人末端变形量与外力的关系并利用速度雅克比矩阵，确定了机器人刚度模型。根据已构建的切削力模型和机器人刚度模型，确定了三自由度动态系统的动力学模型；利用频域法对动力学模型进行求解，绘制了稳定性叶瓣图。通过对比文献中的切削试验数据验证了所提出的机器人切削稳定性模型的正确性，分析了工艺参数对稳定性叶瓣图的影响。 （4）提出了以材料去除率和刀具每齿重叠磨损为目标函数，以机器人切削稳定性为约束条件的工艺参数优化模型。基于材料去除率模型，刀具每齿重叠磨损分布模型和机器人切削稳定性模型，采用人工蜂群算法进行工艺参数优化，得到了最优的工艺数值为：切削深度为1mm、横向进给量为18mm、纵向进给量为2002mm/min、主轴转速为4293r/min。通过将该工艺参数与文献参数相比较，发现了其材料去除率提高了近29%。
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