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采用自動鉆鉚技術(shù)實現(xiàn)飛機壁板的制孔與鉚接是提高飛機裝配質(zhì)量和效率的有效途徑[1]. 自20世紀(jì)50年代起源,經(jīng)過幾十年的發(fā)展,自動鉆鉚設(shè)備已能自動完成定位、制孔、锪窩、送釘、插釘、鉚接及檢測等一系列工序,已是*航空制造中的重要裝備。
國外對自動鉆鉚設(shè)備的研究起步較早,西方航空工業(yè)發(fā)達的國家已經(jīng)擁有成熟的自動鉆鉚設(shè)備,例如德國BROTJE公司的MPAC自動鉆鉚機、美國EI公司的E4000系列自動鉆鉚機等[3-4].中國早在20世紀(jì)70年代初就嘗試研制自動鉆鉚設(shè)備,但由于當(dāng)時工業(yè)技術(shù)落后,自動鉆鉚設(shè)備未能研制成功. 近年來,國內(nèi)各大航空制造廠在引進國外自動鉆鉚設(shè)備的同時,加強了與國內(nèi)科研院所的合作,成功研發(fā)出一些較為*的自動鉆鉚設(shè)備,例如西飛研發(fā)的基于E7000型自動鉆鉚設(shè)備的柔性裝配托架,成飛研發(fā)的塔式五軸數(shù)控鉆鉚系統(tǒng)。
自動鉆鉚系統(tǒng)在實際鉚接時受到大載荷的循環(huán)施加,鉆鉚系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)會出現(xiàn)一定的彈性形變,導(dǎo)致加工精度下降. 自動鉆鉚系統(tǒng)需要具有較強的剛度以抵抗這種彈性形變,這就需要定量地分析鉆鉚系統(tǒng)末端的變形,研究其末端剛度,為其后的控制反饋提供一定的數(shù)據(jù)支持. Kim等[8]研究了多體系統(tǒng)中工作空間內(nèi)的剛度矩陣、Salgado等[9]將機床刀具、夾具、壓緊機構(gòu)等機床部件的剛度矩陣合成為系統(tǒng)整體剛度矩陣加以分析、閆蓉等[10]提出了一種多軸加工系統(tǒng)剛度場半解析方法,用以分析工作空間中的剛度特性分布規(guī)律、Gao等[11]通過解析法建立了機床工作空間內(nèi)的剛度模型,并利用該模型對不同位姿下的加工誤差進行了分析、吳石等[12]利用多體小變形理論建立了機床的綜合剛度模型,并通過力橢球分析了加工各要素對加工系統(tǒng)綜合剛度性能的影響.
以往對機床剛度的研究大多采用多體運動學(xué)的方法進行分析,很少全面地考慮機床變形的所有來源、對于本研究臥式雙機聯(lián)合鉆鉚系統(tǒng),需要綜合考慮機床變形的各個來源建立其末端剛度模型. 針對這一情況,本文運用機器人學(xué)相關(guān)理論建立其運動學(xué)模型,并使用雅克比矩陣法、點傳遞法、有限元分析法逐一對其柔性運動軸、運動關(guān)節(jié)、末端執(zhí)行器等關(guān)鍵部件建立剛度矩陣,在此基礎(chǔ)上基于彈性小變形原理建立多軸機床的末端綜合剛度模型. 這種末端綜合剛度模型可分析不同位姿下系統(tǒng)所產(chǎn)生的變形,以便優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計,必要時通過控制系統(tǒng)給出補償量,提高鉚接精度.
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