基于碳纤维复合材料的机器人自动化制孔技术应用研究

尹田

摘要：根据碳纤维复合材料（CFRP）的钻孔过程，建立了机器人自动化钻孔系统。对该系统的关键技术进行了研究。开发了一种基于激光位移传感器的表面法线调整技术。研究了压脚压力对孔精度的影响。基于碳纤维复合材料钻孔试验中的推力，采用二元线性回归分析法建立了经验公式，确定了合适的加工参数（主轴转速12 000 r/min，轴向进给0.02 mm/r）。最后进行了刀具磨损试验，确定了刀具寿命。结果表明，该系统可以提高碳纤维复合材料钻孔的效率和质量。表面法向精度优于0.5°，孔径误差小于0.02 mm，圆度误差小于0.005 mm，表面粗糙度可达Ra3.2，效率为每分钟5个孔。

关键词：机器人自动钻孔技术;碳纤维合川路布;表面法向调整;刀具磨损;超声

中图分类号：TQ327.3;TP242 文献标识码：A 文章编号：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

碳纖维复合材料是最先进的复合材料之一。它具有强度高、密度低、热稳定性好、耐腐蚀等优点。碳纤维复合材料已广泛应用于飞机机翼、航天器座舱和导弹发射器的装配。碳纤维复合材料具有诸多优点，近年来，碳纤维复合材料的切削钻孔技术也逐渐成为研究的热点。例如，有学者认为碳纤维增强塑料（CFRP）的钻孔过程中的微机械损伤、分层和纤维拔出高度依赖于纤维的取向[1]。并据此提出了一种有限元格式，将工件建模为叠加在纤维取向和层状平面上的结构网格，该程序允许通过纤维方向引导裂纹扩展路径，并针对4种纤维取向的实验验证了我们的模拟过程，研究了碳纤维增强塑料复合材料微钻削过程中尺寸效应对切削力的影响，利用实验结果，通过回归分析确定了模型的系数[2]。选择了一种环氧树脂基CFRP复合材料，并在精心设计的温控钻钻削实验中利用气候室进行了测试。结果表明：最佳钻削区温度范围低于CFRP复合材料玻璃化转变区温度下限（T），高于树脂脆性变形上限（T）。当钻削区温度低于T时，CFRP变得更脆，导致钻削推力大幅增加，从而增加了出口分层破坏的可能性[3]。因此，将钻井区温度控制在T和T之间，这样可以提高复合材料的层间断裂韧性与抗变形能力，从而降低钻削损伤的概率。提出了一种利用有限元模型根据切削条件和支撑板条件预测复合材料层合板分层系数的方法，对复合材料层合板出口表面产生的损伤进行了分析，并将损伤行为量化为分层因子[4]。在此基础上，选择合适的变量预测准确的分层因子。在实验的基础上，利用钻孔工件的CT图像计算了分层因子，以量化损伤程度。对预测结果和实验数据进行了分层因子分析[5]。

1系统描述

机器人自动钻孔系统由KUKA KR360-2型工业机器人、移动平台、高速钻孔末端执行器、控制系统、吸尘器和换刀装置等组成，如图1所示。

KUKA KR360-2是一款6轴关节臂的高精度工业机器人，负重360 kg，伸展范围2 800 mm。如图2所示，高速钻孔末端执行器通过快速更换法兰连接到机器人手柄的末端。它是机器人钻孔系统的关键部件，与表面法线调整系统、压脚和高速主轴集成在一起。

移动平台用于扩展工业机器人的操作空间，并为控制柜、换刀装置和吸尘器提供空间。这个移动平台是由空气悬挂系统驱动的。末端执行器和运动平台的控制系统基于SynqNet网络，该网络是在控制卡和驱动器之间构建的高性能、高可靠性的集中运动网络[6]。该控制系统由程序分析模块、网络通信模块、运动控制模块和校正模块4大模块组成。

机器人自动钻孔系统的工作过程：

（1）利用徕卡激光跟踪仪建立坐标系（刀具坐标系、基准坐标系和零件坐标系）;

（2）根据三维模型中的孔位信息，在DELMIA中模拟机器人的运动，并输出机器人程序;

（3）将平台移动到准确位置，完成平台安装;

（4）控制系统加载钻孔程序，控制机器人和末端执行器完成钻孔。

2表面-法向调整

很多时候，一些加工零部件的真实形状与三维模型不同，机器人的运动误差也会引起偏差。为了满足随钻加工表面法向精度的要求，建立了表面法向调整系统。该系统由4个激光位移传感器组成，安装在压脚前端，具体如图3所示。这些传感器在刀具坐标系中的位置可以通过徕卡激光跟踪器进行测量。

传统的表面法向调整方法是测量激光传感器与零件表面之间的距离。根据激光传感器的位置以及光点与激光传感器之间的距离，可以计算出4个光点的位置。用这4个点拟合局部平面，该局部平面的法向量可以作为近似的钻孔方向。将机器人主轴轴向调整为平面法向量可以消除表面法向偏差[7-8]。这种传统的方法可以很好地用于平面零件的钻孔;但对于表面是曲线的零部件，由于4个光点不在同一平面内，用传统方法求取近似钻孔方向会产生偏差。

为了解决这个问题，提出了一种新的方法，具体方法如图4所示。

由图4可知，假设A、B、C、D是表面上的4个光点，4个激光位移传感器在刀具坐标系中的位置和方向为（x、y、z）和（m、n、p），i=1，2，3，4。当机器人到达钻孔位置时，可以测量激光传感器到光点的距离（Li，i=1，2，3，4）。因此，光点的位置为{（x+Lm，y+Ln，z+Lp），i=1，2，3，4}。E、 F、G、H是相邻2个光点的中点，因此可以根据A、B、C、D的位置计算工具坐标系中E、F、G、H的位置。如几何关系所示，EF和GH分别是三角形BAC和三角形DAC的中线。这意味着EF和GH都是线段AC的平行线，EF和GH的长度都是线段AC的一半。所以四边形EFGH是平行四边形，这意味着E、F、G、H在同一平面上。用E、F、G、H拟合局部平面，可以减少因4点不共面而引起的偏差。假设平面的法向量为[a，b，c]，该向量可用作近似钻孔方向。

在机器人刀具坐标系中，主轴轴向为[0，0，1]T。为了确保曲面法线精度，应通过两次笛卡尔坐标旋转变换将机器人刀具调整到近似钻孔方向[a，b，c]。

[a，b，c]=R[0，0，1]（1）

根据式（1），R=Rot（Y，β）、Rot（X，α），可获得旋转角度α和β。通过将机器人刀具在X方向旋转α，在Y方向旋转β，可以消除大部分表面法向偏差。

3碳纤维复合材料钻孔试验

实验机器人自动钻孔系统如图5所示。在本实验中，选择了一块厚度为5 mm的5227A/CF3031碳纤维复合材料作为工件材料，该工具是1个Φ 6 mm硬质合金钻头。压力足的影响。工业机器人是一种开环悬臂机构，刚度相对较低;钻孔时的振动会影响孔的精度，因此在末端执行器上安装压脚以保证刚度。为了研究不同压脚压力对孔精度的影响，在不同压力P（0.2、0.3、0.4和0.5 MPa）、主轴转速为12 000 r/min、进给速度为0.02 mm/r的条件下钻出了CFRP孔。不同压力下的孔径误差，结果如图6所示;不同压力下的圆度误差，结果如图7所示。

如图6、图7所示，在0.2～0.4 MPa，孔径误差和圓度误差随压力的增加而减小。0.5 MPa的孔径误差和圆度误差略高于0.3 MPa和0.4 MPa的孔径误差和圆度误差，这是因为较高的压脚压力会增加机器人钻削系统的刚度;但也会引起工件的变形。因此，选择0.3～0.4 MPa的中等压力可以保证孔的精度（孔径误差<0.02 mm;圆度误差<0.005 mm）。

3.1工艺参数的影响

钻CFRP孔的主要缺陷是毛刺、撕裂和分层。推力是产生这些缺陷的主要因素，即推力越大，缺陷越多。为了研究工艺参数对推力的影响，在不同的工艺参数下进行了实验，为了分析推力与工艺参数之间的内在关系，建立了经验公式。在该方程式中，F是推力（N）;f是进给速度，mm/r;N是主轴转速，r/min;C、X和Y是待确定的系数。

F=C· f ·n （2）

根据实验中测得的推力，可使用二元线性回归分析计算系数，结果如式（3）所示。

F=912.01·f ·n （3）

為了验证回归方程（3）的显著性，进行了F检验[F=103.59>F（2，13）=6.70]。结果表明：回归方程（3）具有高度显著性;等式（3）是可靠的，具有工程价值。

式（3）的结果表明：进给速度是影响推力的主要因素，即进给速度越高，推力越大。另一方面，切削速度对推力影响不大。为了获得较小的推力，可以首先确定相对较低的进给速度。然后，可以选择相对较高的主轴转速，以满足高钻孔效率的要求。在该机器人自动钻削系统中，主轴转速为12 000 r/min，进给速度为0.02 mm/r，可实现低推力和高钻削效率（5孔/min）。

3.2刀具磨损的影响

碳纤维复合材料是一种典型的难切割材料。由于高研磨性碳纤维，刀具磨损过度。为了研究硬质合金钻头的使用寿命，在试验系统上进行了加工参数为主轴转速12 000 r/min、进给量0.02 mm/r、压脚压力0.3 MPa的刀具磨损试验。共有215个孔由一台机器加工Φ6 mm硬质合金钻头。

图8为钻50、100、150和200孔后硬质合金刀具的磨损情况。

由图8可以看出，钻头处于稳定磨损阶段，刃口宽度稳定增加。

图9为钻孔50、100、150和200孔后的出口质量。

由图9可以看出，随着刀具磨损的增加，出口质量变差。特别是钻200孔后，毛刺缺陷比较严重。本产品的使用寿命Φ6 mm硬质合金钻头大约有150个孔，[JP3]150个孔内的表面粗糙度可达到Ra3.2;当达到使用寿命时，机器人可使用换刀器自动更换钻头。

4结语

本文针对碳纤维复合材料的钻孔要求，建立了机器人自动钻孔系统。对该系统的一些关键技术进行了研究，由此可以得出：

（1）曲面法向调整系统可以在钻削曲面零件时减少曲面法向偏差。表面法向偏差小于0.5°;

（2）适当的压脚压力在0.3～0.4 MPa，可以增加机器人的刚度，减小孔径误差和圆度误差;

（3）进给速度对推力的影响远大于主轴转速对推力的影响。[JP2]主轴转速为12 000 r/min，进给速度为0.02 mm/r，可实现低推力和高钻孔效率（5孔/min）;

（4）钻150个孔后，由于刀具磨损，毛刺缺陷迅速增加，应更换钻头以确保钻孔质量。

综上所述，机器人自动钻孔系统可以用于碳纤维复合材料上的钻孔，在实践应用中取得了良好的成果，且可以在如飞机制造等高精尖产业中得到有效运用。

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