差速驱动研抛机器人的运动控制【文献综述】.doc

1、毕业论文文献综述机械设计制造及其自动化差速驱动研抛机器人的运动控制1研抛机器人的历史与现状当前，国内外对工件表面的精加工以手工抛光和普通机械式磨削抛光为主。手工中工周期长、对工人的技术水平要求高、质量不稳定等问题应用越来越少；变通机械式磨削抛光存在着表面加工质量差、效率低、自动化程度不高的问题影响着抛光技术的长足发展。研抛机器人是近几年才开始受到人们的关注的机械设计。目前研抛机器人的设计共有三种类型。第一种是机器人超声研抛自由曲面的精加工系统，当时为实现自由曲面研抛加工自动化有四种方案利用专用的自动研抛机构；利用安装有专用研抛装置的机器人；利用安装有专用研抛机构的数控机床或仿形机床；其它可用于

2、自由曲面自动化研抛加工的设备。由于机器人的构造和性能充分体现了自动化装备的优点，特别是智能、适应性、机器作业的准确性以及在各种环境中完成作业的能力，在通过编程可重组的生产单元进行敏捷制造的装备中，机器人化机器将占据非常重要的地位。基于对研抛工人操作过程的学习，将机器人技术应用于模具型等自由曲面的自动化精密加工领域，建立了机器人自动研抛加工系统。为了提高加工效率,结合超声加工技术的优点,课题组开发了超声弹性自动研抛法并实现了机器人化加工。为了进一步提高该系统的鲁棒性,建成了基于力反馈闭环控制环节见图1,图2是该系统的基本构成。图2所示的系统主要包括三部分检测及控制子系统,由6、9、10组成。计算

3、机实时地检测研抛工具和工件之间的法向压力FN,动态地监控研抛作用过程研抛加工子系统,由2、4、8组成,超声发生器将动力电源转化为超声机械波,推动着弹性研抛工具完成研抛加工运动进给运动子系统,由1、3、9构成,计算机根据FN的大小和方向,自动调整机器人的运动和位姿,在保证作用角和法向压力FN相对恒定的前提下,完成研抛加工的进给运动。在加工中,机器人提供曲面加工的进给运动,超声振动形成研抛主运动,通过游离磨料的切削作用和喷丸作用形成研抛过程,实现对工件表面的自动化精加工1。第二种是自由曲面抛光机器人，他主要致力于小型曲面的加工，是采用自由曲面抛光并联机器人的结构。曲面抛光属于精加工,具有加工余量很

4、小、切削力不大、加工精度高、零件尺寸大及抛光工具转速很高等工艺特点,因此抛光机器人在实现自由曲面抛光运动轨迹要求的前提下,还必须具备结构刚度高、响应速度快、重量轻、工作空间大等要求。概念设计主要是设计和选定满足备抛光工艺要求的运动构。在首先满足自由曲面抛光精加工抛光工具位姿要求的前提下,综合考虑抛光机器人在动态响应速度、刚度、加工精度、加工效率以及工作空间等各方面的性能要求,如图3所示的总体设计方案。自由曲面抛光并联机器人由上下两部分构成,它们是抛光工具位姿控制机构和安装被抛光工件的工作台进给运动机构。抛光工具位姿控制机构由少自由度3杆并联机器人机构3RPS并联机器人实现,如图4所示。3RPS

5、并联机器人由动平台、固定平台和驱动杆等几部分组成,其固定平台与床身两个立柱上平面固定,三根驱动杆的上端分别用3个转动副连接在固定平台上,其下端分别由3个球面副与下面的动平台连接。工作时,当3个伸缩杆长度改变时,使动平台在空间的位置和姿态发生变化,从而改变抛光工具在空间的位姿。图3自由曲面抛光并联机器人结构简图图43RPS并联机器人机构简图3RPS并联机构的自由度计算公式为（1）式中F为机构的自由度N为构件数,N8G为运动副数,G9FI为第I个运动副的相对自由度数,F68911313333。该并联机器人机构动平台有3个运动自由度,这3个运动分别是动平台沿固定平台垂直方向的移动和动平台的2维转动。

6、高速旋转的抛光主轴固定在动平台上,由动平台带动其在空间作抛光运动。为了扩大并联抛光机器人的工作空间,设计了两维水平工作台作为工件进给运动机构。这样利用串并联混合结构便可实现自由曲面的5坐标抛光加工。该机构综合了串并联机构的特点,具有结构简单、工作空间大、结构刚性好、负载能力强等优点。在自由曲面抛光精加工过程中,并联机器人机构可以实现抛光工具的位姿改变,以满足抛光过程中抛光工具与曲面之间恒定的作用角,工作台的两维直线运动实现工件在抛光过程中的进给运动2。第三种是大型模具曲面微小研抛机器人。微小研抛机器人是可以在大型曲面上行走并能够进行自主研抛的轮式移动机器人,它主要由本体机构、行走机构、研抛执行

7、机构等组成,机器人结构如图5所示。微小研抛机器人本体机构为分层式封闭结构,主要承载机器人的机械装置、控制装置、感应装置和其他装置。行走机构主要是由两个直流伺服电动机独立驱动主动轮和一个用于辅助支撑的全方位轮组成的轮系。为防止滑移现象,在车体底盘上装有一可以调控吸附力的电磁吸盘。研抛执行机构安装在车体靠近驱动轮一侧,可绕行进方向的一固定轴摆动来调整姿态。研抛机构的前端装有弹性研抛工具,由主轴带动,同时通过气缸、电气比例阀及压力传感器的调节,研抛工具沿主轴方向运动,可以调整其对被加工表面施加的压力大小。微小研抛机器人可以边行走边作业。微小研抛机器人的两轮独立驱动行走方式存在非完整约束,运动约束使得

8、机器人车体只能沿着驱动轮轴线的垂直方向作纯滚动运动,其独立的驱动数小于车体系统的自由度数。而具有完整约束的研抛执行机构是随之运动的,这是一种耦合运动3。图5微小研抛机器人结构图1本体机构2行走机构3研抛执行机构这三种研抛机器人是目前国内典型的三种设计方案。第一种设计采用超声系统对加工对象进行精加工，这个设计具有精确度高的特点，但是这个设计比较复杂，而且因为是采用超声技术，所以他不能实现在曲面上自我调节的功能，需要不断的调节声音频率来控制机器人的运动。这种机器人在操作过程中也比较复杂，但是因为其加工精度是通过超声来完成的，所以加工过程是可控制的，精度也比较高。第二种设计是主要致力于小型自由曲面的

9、精加工，具有加工余量很小、切削力不大、加工精度高、零件尺寸大及抛光工具转速很高等工艺特点，而且他的工作空间小，适用于各种场所，对于小型零件的自由曲面加工具有广泛的用途。第三种机器人是目前曲面加工中最受关注的一类，小型机器人对大型曲面的加工。他采用的是独立轮驱动装置实现机器人的运动方式，同时具有弹性的研抛装置，同时通过气缸、电气比例阀及压力传感器的调节,研抛工具沿主轴方向运动,可以调整其对被加工表面施加的压力大小，是一个比较完善的设计。但是因为机器人的运动机构与研抛机构是一体的，在一些斜率相差比较大的连续点的位置，容易造成抛光不全的缺点；同时因为是采用单边独立轮的结构，使这种研抛机器人并不适合在

10、斜率比较大的平面上进行加工，仅适合在斜率较小的平面或者是水平面上加工，这种机器人并未解决立式大型曲面造成的问题。2发展趋势随着制造加工业向自动化、高效精密化方向发展,研抛加工作为模具自由曲面加工的最终工序对工业制品的质量起着非常重要的作用,而机器人辅助模具研抛是实现模具研抛自动化的重要手段之一,它对提高研抛效率,保证产品质量,降低工人劳动强度等方面具有重要意义4。同时现代模具工业作为机械制造业的一大分支,有着“永不衰亡工业”之称,其模具产品也向着更大型、更精密、更复杂及更经济快速方面发展。然而,模具自由曲面的精加工是当今模具制造的一个重点,但也是一个难点,很多尚未攻克的精加工难题严重制约了模具

11、行业的发展。因此,进行模具精加工的理论和技术研究已经势在必行。目前，对大型曲面的加工抛光主要是人为进行的。首先，因为目前对了曲面自动加工技术还不成熟，加工的精度不高，效率也比较低，同时加工过程中机器人的运动难以控制；其次，人为加工效率比机器人加工要高，而且对那些有经验的钳工，对了曲面的变化比较了解，加工的精度也会很高，同时手动加工对于一些比较复杂的曲面会比较顺利。但人为加工也有不好的地方，一个是安全问题，当大型曲面是立式的时候，比如船舶船身，人在加工时，可能会发生意外；另一个是加工效率问题，虽然现在人为的加工效率比机器人加工效率要高，但机器人具有比较大的发展空间，我们可以通过设计机器人的加工机构以及运动机构大幅度的提升加工效率；还有一个问题是人为加工时，加工的力度都恒定的，对于一个大型曲面的加工过程，会是在一个变化的力度下加工完成的，这对于大型曲面来说整体的精确度就会很低，误差也会比较大。参考文献1詹建明，赵继，祝佩兴机器人超声研抛自由曲面的精加工系统中国机械工程第11卷第8期2000年8年2屈健康，雷开卓，秦现生自由曲面抛光机器人设计与运动学仿真机械科学与技术2010年3月第29卷第3期3谢哲东，赵继，张雷大型模具曲面微小研抛机器人动力学仿真农业机械学报2007年10月第38卷第10期4李继先，微小研抛机器人加工系统开发研究，材料物理与化学专业博士论文2000年度