摘 要

由于钛合金叶片相较于其他材料的叶片，有着强度高、密度小、机械性能和抗蚀性好的特点，在工业生产中得到了越来越广泛的使用，但是其工艺性和抗磨性差的特点使得钛合金叶片抛光遇到了很多困难，传统的人工抛光效率低下，无法满足实际生产需求。本文拟搭建一个以工业机器人为基础的叶片磨削系统。

首先，完成系统的整体结构规划，并用建模软件建成实体模型，然后根据实际加工需求，完成关键零部件的设计，主要是叶片工装夹具和气动抓手的设计。接下来对其他设备进行选型和校核，使方案具有可行性。

然后，根据理论分析结果，初步确定各项加工参数的范围，综合现有的钛合金磨削相关实验的结果，完成工艺参数的最终优化。

最后，整合上文涉及的系统实体模型和优化后的加工参数，通过Robotstudio对加工路径进行仿真，生成工程文件，并以实验的形式验证此系统是否满足实际工作要求。

关键词：工业机器人；结构设计；复杂曲面；参数优化；轨迹规划

ABSTRACT

Compared with other materials due to titanium alloys blade blade, has high strength, small density and good mechanical properties and corrosion resistance characteristics, has been widely used in industrial production, but its manufacturability and abrasion resistance difference makes the characteristics of titanium alloys blade polishing encountered many difficulties, the traditional manual polishing efficiency is low, can't meet the demand of practical production. A blade grinding system based on industrial robot is proposed in this paper.

First, complete the overall structure planning of the system, and build a solid model with modeling software. Then, according to the actual processing requirements, complete the design of key parts, mainly the design of blade jig and pneumatic grip. Next, select and check the other equipment to make the scheme feasible.

Then, according to the theoretical analysis results, the range of processing parameters is preliminarily determined, and the final optimization of process parameters is completed based on the results of existing grinding experiments of titanium alloy.

Finally, integrate the system entity model mentioned above and the optimized machining parameters, simulate the machining path through Robotstudio, generate engineering files, and verify whether the system meets the actual work requirements in the form of experiments.

KEY WORDS: Industrial robot; structural design,;complex surface; parameter optimization; trajectory planning

目 录

第1章 绪论 1

1.1研究背景及意义 1

1.2国内外研究现状 1

1.2.1机器人抛光系统整体结构 1

1.2.2控制系统 3

1.2.3加工工艺及参数优化相关研究 3

1.3本文研究的思路与内容 4

第2章 机器人叶片打磨系统的总体设计 6

2.1机器人叶片打磨系统的组成 6

2.2关键部件的设计 7

2.2.1叶片定位装置设计 7

2.2.2气动夹爪结构设计 8

2.2.3气动系统设计 9

2.3 关键部位选型 9

2.3.1砂带机选型 9

2.3.2 砂带选型 10

2.3.3 气动系统设计 11

2.3.4 机械手选型 12

2.3.5 传送带选型 13

2.4本章小结 15

第3章 工艺参数分析 16

3.1 砂带磨削加工的原理及特点概述 16

3.2 钛合金的材料特性 17

3.2.1钛合金的材料性能 17

3.2.2钛合金磨削特性 17

3.3磨削工艺及参数优化 18

3.3.1磨削工艺优化 18

3.3.2磨削参数优化 18

3.4 磨削力的计算 19

第4章 磨削路径仿真 21

4.1 叶片机器人磨抛系统软件 21

4.1 路径仿真及结果 22

第5章 结论与展望 24

4.1 结论 24

4.2 展望 24

参考文献 25

致谢 26

附件A 27

第1章 绪论

1.1研究背景及意义

随着社会经济水平的发展，当今社会对如汽轮机叶片，发动机涡轮叶片等不规则曲面零件的加工尺寸精度和表面质量的要求越来越高，即使是在如今自动化技术全面普及的大环境下，采用普通磨床和人工打磨相结合的方法仍是我国大部分厂家处理不规则曲面零件表面加工的主要方式，与此同时，如今市场上的发动机叶片及涡轮叶片多采用钛合金材质，由于这类叶片的型面的狭长结构，使其在盆背方向上的刚度较低的缺点更为明显。总体来讲，钛合金叶片特殊的结构和材料特性．使其不好通过传统方法进行加工，这个特点最直观的体现就是型面的轮廓尺寸精度、位置精度难以保证，手工抛光效率低、劳动强度大，叶片型面易产生烧伤、烧蚀现象。上面提出的几个问题也是如今叶片打磨抛光技术发展的主要技术瓶颈。而多轴联动数控加工技术的不断升级和关于叶片等复杂曲面加工工艺相关研究的不断深入，使得实际生产中叶片型面加工的难题逐步得到突破，较以往相比，如今的叶片无论是表面完整性还是加工效率，都逐渐达到了一个比较理想的水平^[1]。

针对钛合金叶片型面的抛光加工，从传统工艺的角度上讲，其难点主要集中在两个个方面，一是材料的影响，钛合金弹性模量小，易造成叶片加工的装夹变形，加工中后刀面的磨损，又容易出现切削力的增大。且导热性差，手工抛光的磨削易造成应力变形和烧伤、烧蚀现象。二是叶片结构的影响，型面总体加工面积大．刀具加工全过程中因磨损所造成的精度影响较大，且手工抛光因拿持不便，劳动强度大，加工精度难以保证。综上所述，为了获得质量较高的叶片，各大叶片生产商都致力于开发高柔性，高精度的自动打磨系统，目前主要有两种发展方向，一是使用专用数控砂带机床的叶片抛光打磨系统，二是基于工业机器人的叶片抛光打磨系统。相较传统加工而言，这两种方案可以更好的提高打磨抛光效率，提升叶片的尺寸精度和表面质量。本文主要研究的是第二种系统。

1.2国内外研究现状

1.2.1机器人抛光系统整体结构

随着工业机器人技术的不断发展，其成本逐渐降低，控制精度显著提高，这些因素使其在自动化磨削加工中的使用越来越广泛，采用机器人抛光系统的优点主要在于：灵活性，柔性高，适用性强且成本低廉，与此同时，整个加工系统均可采用通用设备，既降低了使用门槛，又提高了系统的扩展性。机器人抛光系统的发展可以分为两个阶段，在早期，由于机器人制造，控制精度的问题，人们一般采用由工业机器人夹持磨削工具去对工件进行加工的方式，例如上海华括自动化有限公司提出了一种比较有代表性的整体设计构想^[2]，这套系统主要由工业机器人，磨削工具和带有夹具的工作台组成，磨削工具固定于机械臂的前端，工件定位于工作台上的夹具内，主要依靠机械臂带动打磨接头实现叶片表面加工轨迹的控制。然而这种加工方式的精度不是很高，且无法加工形状复杂的叶片。