基于碳纖維復(fù)合材料的機(jī)器人自動(dòng)化制孔技術(shù)應(yīng)用研究

尹田

摘要：根據(jù)碳纖維復(fù)合材料（CFRP）的鉆孔過(guò)程，建立了機(jī)器人自動(dòng)化鉆孔系統(tǒng)。對(duì)該系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了研究。開(kāi)發(fā)了一種基于激光位移傳感器的表面法線調(diào)整技術(shù)。研究了壓腳壓力對(duì)孔精度的影響。基于碳纖維復(fù)合材料鉆孔試驗(yàn)中的推力，采用二元線性回歸分析法建立了經(jīng)驗(yàn)公式，確定了合適的加工參數(shù)（主軸轉(zhuǎn)速12 000 r/min，軸向進(jìn)給0.02 mm/r）。最后進(jìn)行了刀具磨損試驗(yàn)，確定了刀具壽命。結(jié)果表明，該系統(tǒng)可以提高碳纖維復(fù)合材料鉆孔的效率和質(zhì)量。表面法向精度優(yōu)于0.5°，孔徑誤差小于0.02 mm，圓度誤差小于0.005 mm，表面粗糙度可達(dá)Ra3.2，效率為每分鐘5個(gè)孔。

關(guān)鍵詞：機(jī)器人自動(dòng)鉆孔技術(shù);碳纖維合川路布;表面法向調(diào)整;刀具磨損;超聲

中圖分類號(hào)：TQ327.3;TP242 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1001-5922（2022）07-0065-05

Research on application of robotic automatic drilling

technology based on Carbon Fiber Reinforced Polymer

YIN Tian

（Jiangsu College of Safety Technology， Xuzhou 221000， Jiangsu China）

Abstract：According to the drilling process of Carbon Fiber Reinforced Polymer（CFRP）， a robot automatic drilling system is established. The key technologies of the system are studied， and a surface normal adjustment technique based on laser displacement sensor is developed. The influence of foot pressure on hole accuracy is studied. Based on the thrust in the drilling test of ， the empirical formula is established by binary linear regression analysis， and the appropriate machining parameters （spindle speed 12 000 r/min， axial feed 0.02 mm/r） are determined. Finally， the tool wear test is carried out and the tool life is determined. The results show that the system can improve the drilling efficiency and quality of CFRP drilling. The surface normal accuracy is better than 0.5°， the aperture error is less than 0.02 mm， the roundness error is less than 0.005 mm， the surface roughness is up to Ra3.2， and the efficiency is 5 holes per minute.

Key words：robot automatic drilling technology; fiber Hechuan road cloth; normal adjustment; wear; ultrasonic

碳纖維復(fù)合材料是最先進(jìn)的復(fù)合材料之一。它具有強(qiáng)度高、密度低、熱穩(wěn)定性好、耐腐蝕等優(yōu)點(diǎn)。碳纖維復(fù)合材料已廣泛應(yīng)用于飛機(jī)機(jī)翼、航天器座艙和導(dǎo)彈發(fā)射器的裝配。碳纖維復(fù)合材料具有諸多優(yōu)點(diǎn)，近年來(lái)，碳纖維復(fù)合材料的切削鉆孔技術(shù)也逐漸成為研究的熱點(diǎn)。例如，有學(xué)者認(rèn)為碳纖維增強(qiáng)塑料（CFRP）的鉆孔過(guò)程中的微機(jī)械損傷、分層和纖維拔出高度依賴于纖維的取向[1]。并據(jù)此提出了一種有限元格式，將工件建模為疊加在纖維取向和層狀平面上的結(jié)構(gòu)網(wǎng)格，該程序允許通過(guò)纖維方向引導(dǎo)裂紋擴(kuò)展路徑，并針對(duì)4種纖維取向的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了我們的模擬過(guò)程，研究了碳纖維增強(qiáng)塑料復(fù)合材料微鉆削過(guò)程中尺寸效應(yīng)對(duì)切削力的影響，利用實(shí)驗(yàn)結(jié)果，通過(guò)回歸分析確定了模型的系數(shù)[2]。選擇了一種環(huán)氧樹(shù)脂基CFRP復(fù)合材料，并在精心設(shè)計(jì)的溫控鉆鉆削實(shí)驗(yàn)中利用氣候室進(jìn)行了測(cè)試。結(jié)果表明：最佳鉆削區(qū)溫度范圍低于CFRP復(fù)合材料玻璃化轉(zhuǎn)變區(qū)溫度下限（T），高于樹(shù)脂脆性變形上限（T）。當(dāng)鉆削區(qū)溫度低于T時(shí)，CFRP變得更脆，導(dǎo)致鉆削推力大幅增加，從而增加了出口分層破壞的可能性[3]。因此，將鉆井區(qū)溫度控制在T和T之間，這樣可以提高復(fù)合材料的層間斷裂韌性與抗變形能力，從而降低鉆削損傷的概率。提出了一種利用有限元模型根據(jù)切削條件和支撐板條件預(yù)測(cè)復(fù)合材料層合板分層系數(shù)的方法，對(duì)復(fù)合材料層合板出口表面產(chǎn)生的損傷進(jìn)行了分析，并將損傷行為量化為分層因子[4]。在此基礎(chǔ)上，選擇合適的變量預(yù)測(cè)準(zhǔn)確的分層因子。在實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，利用鉆孔工件的CT圖像計(jì)算了分層因子，以量化損傷程度。對(duì)預(yù)測(cè)結(jié)果和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行了分層因子分析[5]。

1系統(tǒng)描述

機(jī)器人自動(dòng)鉆孔系統(tǒng)由KUKA KR360-2型工業(yè)機(jī)器人、移動(dòng)平臺(tái)、高速鉆孔末端執(zhí)行器、控制系統(tǒng)、吸塵器和換刀裝置等組成，如圖1所示。

KUKA KR360-2是一款6軸關(guān)節(jié)臂的高精度工業(yè)機(jī)器人，負(fù)重360 kg，伸展范圍2 800 mm。如圖2所示，高速鉆孔末端執(zhí)行器通過(guò)快速更換法蘭連接到機(jī)器人手柄的末端。它是機(jī)器人鉆孔系統(tǒng)的關(guān)鍵部件，與表面法線調(diào)整系統(tǒng)、壓腳和高速主軸集成在一起。

移動(dòng)平臺(tái)用于擴(kuò)展工業(yè)機(jī)器人的操作空間，并為控制柜、換刀裝置和吸塵器提供空間。這個(gè)移動(dòng)平臺(tái)是由空氣懸掛系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)的。末端執(zhí)行器和運(yùn)動(dòng)平臺(tái)的控制系統(tǒng)基于SynqNet網(wǎng)絡(luò)，該網(wǎng)絡(luò)是在控制卡和驅(qū)動(dòng)器之間構(gòu)建的高性能、高可靠性的集中運(yùn)動(dòng)網(wǎng)絡(luò)[6]。該控制系統(tǒng)由程序分析模塊、網(wǎng)絡(luò)通信模塊、運(yùn)動(dòng)控制模塊和校正模塊4大模塊組成。

機(jī)器人自動(dòng)鉆孔系統(tǒng)的工作過(guò)程：

（1）利用徠卡激光跟蹤儀建立坐標(biāo)系（刀具坐標(biāo)系、基準(zhǔn)坐標(biāo)系和零件坐標(biāo)系）;

（2）根據(jù)三維模型中的孔位信息，在DELMIA中模擬機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)，并輸出機(jī)器人程序;

（3）將平臺(tái)移動(dòng)到準(zhǔn)確位置，完成平臺(tái)安裝;

（4）控制系統(tǒng)加載鉆孔程序，控制機(jī)器人和末端執(zhí)行器完成鉆孔。

2表面-法向調(diào)整

很多時(shí)候，一些加工零部件的真實(shí)形狀與三維模型不同，機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)誤差也會(huì)引起偏差。為了滿足隨鉆加工表面法向精度的要求，建立了表面法向調(diào)整系統(tǒng)。該系統(tǒng)由4個(gè)激光位移傳感器組成，安裝在壓腳前端，具體如圖3所示。這些傳感器在刀具坐標(biāo)系中的位置可以通過(guò)徠卡激光跟蹤器進(jìn)行測(cè)量。

傳統(tǒng)的表面法向調(diào)整方法是測(cè)量激光傳感器與零件表面之間的距離。根據(jù)激光傳感器的位置以及光點(diǎn)與激光傳感器之間的距離，可以計(jì)算出4個(gè)光點(diǎn)的位置。用這4個(gè)點(diǎn)擬合局部平面，該局部平面的法向量可以作為近似的鉆孔方向。將機(jī)器人主軸軸向調(diào)整為平面法向量可以消除表面法向偏差[7-8]。這種傳統(tǒng)的方法可以很好地用于平面零件的鉆孔;但對(duì)于表面是曲線的零部件，由于4個(gè)光點(diǎn)不在同一平面內(nèi)，用傳統(tǒng)方法求取近似鉆孔方向會(huì)產(chǎn)生偏差。

為了解決這個(gè)問(wèn)題，提出了一種新的方法，具體方法如圖4所示。

由圖4可知，假設(shè)A、B、C、D是表面上的4個(gè)光點(diǎn)，4個(gè)激光位移傳感器在刀具坐標(biāo)系中的位置和方向?yàn)椋▁、y、z）和（m、n、p），i=1，2，3，4。當(dāng)機(jī)器人到達(dá)鉆孔位置時(shí)，可以測(cè)量激光傳感器到光點(diǎn)的距離（Li，i=1，2，3，4）。因此，光點(diǎn)的位置為{（x+Lm，y+Ln，z+Lp），i=1，2，3，4}。E、 F、G、H是相鄰2個(gè)光點(diǎn)的中點(diǎn)，因此可以根據(jù)A、B、C、D的位置計(jì)算工具坐標(biāo)系中E、F、G、H的位置。如幾何關(guān)系所示，EF和GH分別是三角形BAC和三角形DAC的中線。這意味著EF和GH都是線段AC的平行線，EF和GH的長(zhǎng)度都是線段AC的一半。所以四邊形EFGH是平行四邊形，這意味著E、F、G、H在同一平面上。用E、F、G、H擬合局部平面，可以減少因4點(diǎn)不共面而引起的偏差。假設(shè)平面的法向量為[a，b，c]，該向量可用作近似鉆孔方向。

在機(jī)器人刀具坐標(biāo)系中，主軸軸向?yàn)閇0，0，1]T。為了確保曲面法線精度，應(yīng)通過(guò)兩次笛卡爾坐標(biāo)旋轉(zhuǎn)變換將機(jī)器人刀具調(diào)整到近似鉆孔方向[a，b，c]。

[a，b，c]=R[0，0，1]（1）

根據(jù)式（1），R=Rot（Y，β）、Rot（X，α），可獲得旋轉(zhuǎn)角度α和β。通過(guò)將機(jī)器人刀具在X方向旋轉(zhuǎn)α，在Y方向旋轉(zhuǎn)β，可以消除大部分表面法向偏差。

3碳纖維復(fù)合材料鉆孔試驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)機(jī)器人自動(dòng)鉆孔系統(tǒng)如圖5所示。在本實(shí)驗(yàn)中，選擇了一塊厚度為5 mm的5227A/CF3031碳纖維復(fù)合材料作為工件材料，該工具是1個(gè)Φ 6 mm硬質(zhì)合金鉆頭。壓力足的影響。工業(yè)機(jī)器人是一種開(kāi)環(huán)懸臂機(jī)構(gòu)，剛度相對(duì)較低;鉆孔時(shí)的振動(dòng)會(huì)影響孔的精度，因此在末端執(zhí)行器上安裝壓腳以保證剛度。為了研究不同壓腳壓力對(duì)孔精度的影響，在不同壓力P（0.2、0.3、0.4和0.5 MPa）、主軸轉(zhuǎn)速為12 000 r/min、進(jìn)給速度為0.02 mm/r的條件下鉆出了CFRP孔。不同壓力下的孔徑誤差，結(jié)果如圖6所示;不同壓力下的圓度誤差，結(jié)果如圖7所示。

如圖6、圖7所示，在0.2～0.4 MPa，孔徑誤差和圓度誤差隨壓力的增加而減小。0.5 MPa的孔徑誤差和圓度誤差略高于0.3 MPa和0.4 MPa的孔徑誤差和圓度誤差，這是因?yàn)檩^高的壓腳壓力會(huì)增加機(jī)器人鉆削系統(tǒng)的剛度;但也會(huì)引起工件的變形。因此，選擇0.3～0.4 MPa的中等壓力可以保證孔的精度（孔徑誤差<0.02 mm;圓度誤差<0.005 mm）。

3.1工藝參數(shù)的影響

鉆CFRP孔的主要缺陷是毛刺、撕裂和分層。推力是產(chǎn)生這些缺陷的主要因素，即推力越大，缺陷越多。為了研究工藝參數(shù)對(duì)推力的影響，在不同的工藝參數(shù)下進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，為了分析推力與工藝參數(shù)之間的內(nèi)在關(guān)系，建立了經(jīng)驗(yàn)公式。在該方程式中，F(xiàn)是推力（N）;f是進(jìn)給速度，mm/r;N是主軸轉(zhuǎn)速，r/min;C、X和Y是待確定的系數(shù)。

F=C· f ·n （2）

根據(jù)實(shí)驗(yàn)中測(cè)得的推力，可使用二元線性回歸分析計(jì)算系數(shù)，結(jié)果如式（3）所示。

F=912.01·f ·n （3）

為了驗(yàn)證回歸方程（3）的顯著性，進(jìn)行了F檢驗(yàn)[F=103.59>F（2，13）=6.70]。結(jié)果表明：回歸方程（3）具有高度顯著性;等式（3）是可靠的，具有工程價(jià)值。

式（3）的結(jié)果表明：進(jìn)給速度是影響推力的主要因素，即進(jìn)給速度越高，推力越大。另一方面，切削速度對(duì)推力影響不大。為了獲得較小的推力，可以首先確定相對(duì)較低的進(jìn)給速度。然后，可以選擇相對(duì)較高的主軸轉(zhuǎn)速，以滿足高鉆孔效率的要求。在該機(jī)器人自動(dòng)鉆削系統(tǒng)中，主軸轉(zhuǎn)速為12 000 r/min，進(jìn)給速度為0.02 mm/r，可實(shí)現(xiàn)低推力和高鉆削效率（5孔/min）。

3.2刀具磨損的影響

碳纖維復(fù)合材料是一種典型的難切割材料。由于高研磨性碳纖維，刀具磨損過(guò)度。為了研究硬質(zhì)合金鉆頭的使用壽命，在試驗(yàn)系統(tǒng)上進(jìn)行了加工參數(shù)為主軸轉(zhuǎn)速12 000 r/min、進(jìn)給量0.02 mm/r、壓腳壓力0.3 MPa的刀具磨損試驗(yàn)。共有215個(gè)孔由一臺(tái)機(jī)器加工Φ6 mm硬質(zhì)合金鉆頭。

圖8為鉆50、100、150和200孔后硬質(zhì)合金刀具的磨損情況。

由圖8可以看出，鉆頭處于穩(wěn)定磨損階段，刃口寬度穩(wěn)定增加。

圖9為鉆孔50、100、150和200孔后的出口質(zhì)量。

由圖9可以看出，隨著刀具磨損的增加，出口質(zhì)量變差。特別是鉆200孔后，毛刺缺陷比較嚴(yán)重。本產(chǎn)品的使用壽命Φ6 mm硬質(zhì)合金鉆頭大約有150個(gè)孔，[JP3]150個(gè)孔內(nèi)的表面粗糙度可達(dá)到Ra3.2;當(dāng)達(dá)到使用壽命時(shí)，機(jī)器人可使用換刀器自動(dòng)更換鉆頭。

4結(jié)語(yǔ)

本文針對(duì)碳纖維復(fù)合材料的鉆孔要求，建立了機(jī)器人自動(dòng)鉆孔系統(tǒng)。對(duì)該系統(tǒng)的一些關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了研究，由此可以得出：

（1）曲面法向調(diào)整系統(tǒng)可以在鉆削曲面零件時(shí)減少曲面法向偏差。表面法向偏差小于0.5°;

（2）適當(dāng)?shù)膲耗_壓力在0.3～0.4 MPa，可以增加機(jī)器人的剛度，減小孔徑誤差和圓度誤差;

（3）進(jìn)給速度對(duì)推力的影響遠(yuǎn)大于主軸轉(zhuǎn)速對(duì)推力的影響。[JP2]主軸轉(zhuǎn)速為12 000 r/min，進(jìn)給速度為0.02 mm/r，可實(shí)現(xiàn)低推力和高鉆孔效率（5孔/min）;

（4）鉆150個(gè)孔后，由于刀具磨損，毛刺缺陷迅速增加，應(yīng)更換鉆頭以確保鉆孔質(zhì)量。

綜上所述，機(jī)器人自動(dòng)鉆孔系統(tǒng)可以用于碳纖維復(fù)合材料上的鉆孔，在實(shí)踐應(yīng)用中取得了良好的成果，且可以在如飛機(jī)制造等高精尖產(chǎn)業(yè)中得到有效運(yùn)用。

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