答辩博士：张剑龙
指导教师：廖文和 教授/博导
论文题目：航空复材构件机器人制孔/铣边高精度加工关键技术研究
答辩委员会：
主席：袁军堂 教授/博导 南京理工大学
委员：倪中华 教授/博导 东南大学
廖文和 教授/博导 南京理工大学
傅玉灿 教授/博导 南京航空航天大学
郭 宇 教授/博导 南京航空航天大学
陈文亮 教授/博导 南京航空航天大学
田 威 教授/博导 南京航空航天大学
秘书：陆俊华 副教授/硕导 南京航空航天大学
答辩时间：2022年9月3日上午8：30
地点：南航明故宫校区 15-341
学位论文简介：
本文开展航空复材构件机器人制孔/铣边高精度加工关键技术研究，建立机器人多体系统传递矩阵动力学模型，探明机器人复材制孔/铣边工艺机理，研究机器人铣边加工稳定性，提出基于视觉伺服的机器人高精度轨迹跟踪技术，实现机器人高精度、高稳定性制孔/铣边。
论文的主要研究工作包括：
（1）运用多体系统传递矩阵法建立了机器人动力学模型，分析了机器人振动特性和动力学响应。并以此为理论基础，考虑机器人加工姿态变化对模态参数的影响，辨识了机器人关节刚度参数，修正了机器人动力学模型。在此基础上，通过脉冲激励和铣削实验验证了动力学模型的准确性。
（2）分析了机器人铣边CFRP纤维角特性，建立了动态铣削力模型并确定铣削力系数。通过分析刀具轨迹及速度的运动学特性，定义了超声功能角，揭示了二维纵扭超声振动对机器人铣边刀具运动学特性的影响机制。建立了铣边切削层厚度模型，构建了超声振动作用下的动力学微分方程，运用全离散法获取超声铣边稳定性叶瓣图并探究了不同铣削力系数对机器人铣边稳定性的影响，分析了机器人纵扭超声铣边稳定性影响因素，为加工稳定的工艺参数选取提供理论指导。
（3）探究了机器人制孔/铣边缺陷形成机理，设计了机器人制孔与铣边加工实验，研究了机器人加工姿态及工艺参数对其加工质量的影响机制，揭示了机器人加工系统振动特性对复合材料铣边质量的作用机制。将复材制孔/铣削的宏观缺陷统一为微观层面上纤维、基体及界面不同程度的损伤，并设计正交切削实验研究了单向复合材料正交切削力及微观缺陷随纤维切削角、切削深度的演化规律，再从细观到宏观对加工工艺参数进行了优化，为机器人复材制孔/铣削工艺参数选取提供指导。
（4）估计了机器人末端姿态，提出并验证了基于PBVS的视觉伺服动态滑模控制方案，实现了机器人加工高精度轨迹跟踪，并进行了实验验证。实验结果表明，与经典运动学级关节空间和笛卡尔空间控制器相比，所提出的控制方案在跟踪性能和鲁棒性方面更加优越。
（5）分析了直升机复材构件机器人铣边/制孔加工功能需求，搭建了相应软硬件配置系统，并规定了工业机器人工作流程，设计了机器人铣边/制孔加工实验，验证了直升机复材构件加工工艺、稳定性及控制方法的有效性。
主要创新点：
（1）提出了基于多体系统传递矩阵法的机器人动力学建模方法，将机器人“化整为零”，求解推导了关节和连杆的传递矩阵，然后“组零为整”，求解系统总传递矩阵，实现了机器人动力学特性的精确快速表征。
（2）分析了机器人纵扭超声铣边稳定性，探究了不同铣削力系数对稳定性的影响，获取加工最稳定时的工艺参数，实现了机器人复材铣边高稳定性加工。
（3）创新了机器人复材制孔/铣削实验设计，提出了宏观与微观相结合的方法，揭示了复合材料损伤演化规律，提出了加工质量综合评价方法及质量参数关联分析方法，设计了优化模型，保障加工质量的同时显著提升了加工效率。
（4）提出了机器人视觉伺服高精度轨迹跟踪控制技术，实现了机器人加工轨迹闭环动态修正与补偿，提高了机器人加工轨迹精度。
