自由曲面研抛微小机器人设计【毕业设计】.doc

1、I本科毕业论文（20届）自由曲面研抛微小机器人设计摘要摘要本课题设计了吸盘式微小机器人，实现用小型装备对大型自由曲面进行精整加工的目标。用微小设备研抛加工大型复杂模具自由曲面，改善了研抛大型自由曲面必须用大型设备的传统模式，可以解决研抛装备加工范围的问题。机器人移动结构运用了吸附能力大，承载力强，能跨越规则障碍的框架式移动结构，利用电动推杆结合吸盘的足脚设计，简化了控制的过程。研抛工具端设计了上下移动的自由度，能够根据曲面的形状上下移动进行研抛。关键词自由曲面；研抛；微小机器人；框架式；IIIABSTRACTTHISTOPICWASLITTLESUCKERROBOTDESIGN,WHICHCA

2、NACHIEVETHEGOALTHATFINISHINGLARGEFREEFORMSURFACEWITHSMALLEQUIPMENTTHEUSEOFTINYEQUIPMENTMACHININGLARGECOMPLEXCASTMOULDGRIND,IMPROVEDTHEFREEFORMSURFACEGRINDWITHLARGEFREETHROWTOTHETRADITIONALPATTERNOFLARGEEQUIPMENT,WHICHCANSOLVETHEGRINDOFMACHININGRANGECASTEQUIPMENTROBOTMOBILESTRUCTUREUSINGFRAMETYPEMOBI

3、LESTRUCTUREWHICHHASSTRONGBEARINGADSORPTIONABILITYANDCANCROSSRULESBARRIER,USINGTHEMOTORDRIVENPUSHRODFOOTCOMBINEDWITHCHUCKFEET,CANSIMPLIFYCONTROLDESIGNOFPROCESSINQUIRYPOLISHINGTOOLSDESIGNEDTOMOVEUPANDDOWNTHEDEGREESOFFREEDOM,CANACCORDINGTOMOVEUPANDDOWNTHESHAPEOFTHESURFACESANINQUIRYTHROWKEYWORDSFREEFORM

4、SURFACE；GRINDS；TINYROBOTS；FRAMETYPE目录摘要II目录IV1绪论111课题研究的背景1111模具加工面临的挑战1112模具自由曲面研抛加工的现状212课题研究的意义22机器人移动结构设计421概况422框架式移动机构5221滚珠丝杆电机选择设计5222滚珠丝杠轴承选择623伸缩的脚部机构724吸附方式的选择8241真空发生器的选择8242电磁阀的选择11243真空吸盘的选择计算133前进与越障功能的实现1531直线前进功能的实现1532跨越障碍的实现164工具端的设计1841工具端设计图1842研抛工具头的选择1943控制工具头升降的电机的计算205控制流程21

5、51PLC接口设计2155PLC程序流程图236总结25参考文献26致谢错误未定义书签。1绪论进入二十一世纪以来，计算机技术和各种材料技术的发展更加迅速，促使机械制业朝着集成化、智能化、敏捷化、虚拟化和洁净化法方向发展1。有着“永不衰亡工业”之称的现代模具工业，作为机械制造业的一大分支，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，模具自由曲面精加工是当今模具制造业的一个难点，同时也是一个重点，很多还没有攻克的精加工难题严重的制约了模具行业发展前景。因此，必须加大对模具精加工的理论和技术研究的投入。11课题研究的背景工业机器人是一种对生产环境和生产条件的灵活性和适应性很高的

6、柔性自动化设备。工业机器人的应用使生产率及产品质量都得到了很大的提高，在技术发达的国家中，工业机器人已经在生产中得到了广泛的应用。之所以它的应用大大的缩短了新产品的成熟周期，从而提高了产品在市场上的竞争力，是因为机器人是一种能够适应产品更新换代的自动化设备。在当代工业技术革命当中，工业机器人技术已成为现代工业技术革命中的一个重要组成部分，而工业生产也日趋向柔性自动化方向发展2。111模具加工面临的挑战在我国产品制造业飞速发展和经济腾飞的现状下，特别是加入WTO之后，我国向着成为世界制造中心的目标昂首迈进。模具技术，特别是制造长寿命、精密、大型、复杂模具技术水平的高低，已成为衡量一个国家制造水平

7、高低的一项重要标志3。，因为模具生产的最终产品的价值，往往是模具自身价值的几十倍、上百倍，所以模具又称“效益放大器”。因为自由曲面精加工是模具制造过程中关键的部分，所以其水平高低在很大程度上决定着企业的效益和产品的质量4。提高升对自由曲面精加工的技术，对于我国制造业竞争力的提高具有十分重要的意义。随着各种加工手段的日趋完善及现代控制理论和计算机技术等相关科技的快速发展，对于模具型腔等自由曲面形状加工过程的自动化已经基本可以实现5。模具制造业面临着市场竞争的日趋激烈和周期越来越短的挑战。在模具制造过程中，表面精加工约占了模具总加工时间的3580。表面精加工通常分为表面抛光和表面磨削，而其中表面抛

8、光又约占总加工时间2的50左右。传统的模具抛光主要依靠人工进行，不仅效率低，费时费力，而且还要求操作人员拥有较高的操作技能。操作人员稍有失误，就会对加工表面造成致命损伤，甚至有可能导致整个模具的报废，因此模具自动抛光的研究引起了世界先进工业国家的很大关注6。112模具自由曲面研抛加工的现状这种局限性目前已成为了制约模具型腔等自由曲面现代化生产的瓶颈。所以，加深研究利用现代加工工具和先进加工理论来改进模具自由曲面的加工方法已非常紧迫。为了使加工模具的效率有所提高，避免人为因素对模具生产造成的不利影响，降低制造模具的成本，20世纪80年代末，发达工业国家已经开展了模具自由曲面研抛加工自动化方面的研

9、究工作，主要集中在研抛工艺规律、控制算法方面的研究、各种试验装置的开发和各种新颖研抛方法的提出、研抛轨迹生成与轨迹规划、控制策略、研抛干涉检验等。当前，模具自由曲面研抛加工的研究现状是（1）关于各种类研抛装置和研抛方法的开发研究较多，这方面的专利技术也较多。（2）模具曲面的不规则性要求和多样化研抛工具随着加工轮廓形状的变化而改变自己的姿态和运动轨迹，这给研抛工具运动的控制带来很大的不便，目前之所以自动研抛技术向现实生产力转化需要挑战一些关键性技术是因为开发针对自由曲面研抛加工的专用控制系统的研究还不够。（3）大型自由曲面的研抛受到研抛设备加工范围的限制。（4）虽然关于研抛加工单项技术的研究较多

10、，但是单项技术之间的交叉融合较少。（5）难以像控制机床那样进行自由曲面表面生产轨迹的精密规划和跟踪，即使采用了工业机器人可以较好的进行位移、力的主动轨迹压力混合适应控制，因此轨迹误差较大。（6）加工系统开发方面，国内外专用的研抛设备仍是以控制机床或机器人作为开发平台，学术思想还不够解放，无法突破机器人的串/并联结构或传统控制机床7。目前迫切需要突破传统控制机床与工业机器人的束缚和局限，能够适应我国几大支柱产业的发展需求，将现代最前沿的多种科技相结合，寻求一种能够自动的、快速的利用现代加工工具和先进加工理论的加工方法。研发大型模具自由曲面精整加工的新型设备，可提高我国在世界模具行业的地位，增加我

11、国模具产品在国际市场中的竞争能力。12课题研究的意义3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，它对于提高研抛效率，保证产品质量，降低工人劳动强度等方面具有重要意义。本设计提出技术思路以实现用小型装备对大型自由曲面进行精整加工的目标。用微小设备研抛加工大型复杂模具自由曲面，改善了研抛大型自由曲面必须用大型设备的传统模式，可以解决研抛装备加工范围的问题。42机器人移动结构设计21概况机器人移动机构主要有（1）足脚式由多个脚的反复吸附、脱落移动，机器人越障及承载能力较强，

12、机动性较好，具有较强的表面适应能力，但是结构复杂，间歇移动，速度慢，当足数、关节较多时控制起来较复杂。（2）履带式由电机驱动履带，推动机器人前进，优点是接触面积大，承载能力大，速度快，壁面适应性强，但是履带磨损大，机动性较差，结构复杂，不容易转向。（3）车轮式配置多个车轮，每个车轮由电机驱动，速度较快，控制简单，容易转向，壁面适应能力强，但是接触面积小，越障能力较差（4）框架式有多层框架组成交替移动或转动，固定吸附，吸附能力大，承载力强，能跨越规则的障碍，但是移动是间歇的，移动速度较慢。与传统的移动机器人相比较，复合变结构的移动机器人具有更强的非结构化地形适应性，不仅可以在地面上行进，而且还可

13、以穿越野外崎岖的地形。具有广泛的应用前景的领域有救灾排险、航天科考、军事侦察等，成为移动机器人领域一个具有挑战性、充满活力的发展方向，日益得到了国内外众多学者的重视。各国为在保持较高移动效率前提下，提高机器人的越障能力，陆续研制出一系列轮腿式、轮履带腿式移动机器人。典型的代表有ROCKY系列小型机器人，由美国JPL研发制造；六轮腿全地形机器人SHRIMP，由瑞士联邦学院EPFL自主式系统实验室研制，其具有被动爬行能力；履带腿式机器人PACKBOT，由IROBOT公司研制；四轮履带腿式移动机器人，由北京理工大学研制；复合运动模式的四足机器人，由哈工大研制；六轮腿的移动机器人，由上海交通大学研制；

14、轮履腿多机构智能移动机器人，由中科院沈阳自动化研究所研制。这些复合结构移动机器人大多是以腿式结构以提高越障能力为辅，而以某种高效移动方式为主运动方式（如轮式）。通常采用通过增加腿式结构的复杂性，如多足、被动越障机构和通过增加单关节摆臂来提高机器人的越障性能两种解决方案。前一种方案代价是增加机构体积和复杂性；后一种方案对机构复杂度增加较小，容易实现控制，但越障能力提高有限。522框架式移动机构本设计选用框架式移动机构，并且采用滚珠丝杆配合滑动导轨的形式。滚珠丝杆类型采用了制造级内循环滚珠丝杠螺母机构，此种结构减少滚珠数目和承载能力并且可提高传动效率，增强轴向的刚度，缩小径向尺寸。滚珠在循环过程中

15、与丝杠始终保持接触，反向时没有空行程死区，有预紧力，反向定位精度高。滚珠丝杆选择型号GZF1604，规格如表21。表21滚珠丝杆规格表规格型号公称直径导程钢球直径滚珠圈数动额定荷CAKN静额定负荷CO（KN）钢性KN/UMFFMGZF16041642318343592210420221滚珠丝杆电机选择设计机器人自重14KG，工作当中，工具头对研抛表面的正压力为70N，工具头与模具表面的摩擦系数约为05。抽象出机器人上层滚珠丝杠框架结构的力学模型如图21。图21滚珠丝杠框架结构力学模型自重产生的载荷FNWG4116N,为滚珠丝杠螺母与滚珠之间的摩擦系数，这里取值为003,W为移动部分的重量，可取

16、14KG。丝杠的外载荷F70N0535N，整体的工作载荷FAFFN39116N，所以，由外加载荷产生的转矩MTAFAPHO200000249NM为机械效率，这里取值088，PHO为滚珠丝杠的导程。6下面计算由预紧载荷而产生的转矩MTE预紧力FAOFA/31304NMTEFAOPHOKP200000025KP为紧螺母内的摩擦系数，一般取0103。这里取03。电机负荷的总惯性矩JMJDJSWPHO/203868104KGM2滚珠丝杠的惯性矩JSLD43231478103KG/CM3550MM164M320276KGCM2L为滚珠丝杠总长度，设计的长度为550MM。为丝杠材料的密度。D为滚珠丝杠的直

17、径。JD是电机的惯性矩，这里的值为初选值。上述计算是在机器人工作的状态下进行的，所以框架的移动速度为1MM/S，电机转速NV/PHO15R/MIN角速度1571RAD/S设计电机两秒从静止状态加速到最大速度，所以角加速度为079RAD/S2。所以加速驱动转矩MMTAMTEJM079RAD/S200277NM电机的选定，一般来说以平均速度时的M不超过电机额定转矩的30为使用标准。所以电机的转矩MDM10300924电机型号BS42HB3801型二相混合式步进电机表22步进电机规格表型号电机长度（MM）步距角保持转矩（N额定电流（A）相电感（MH相电阻（）转子惯量（GCM2）电机重量（KG）BS4

18、2HB3801381802612323354028222滚珠丝杠轴承选择选用圆锥滚子轴承，由滚子与内圈、保持架一起组成的组件与外圈可以分别安装，圆锥滚子轴承可以分离。滚道和滚子接触处修正的接触线可以减少应力集中。圆锥滚子轴承可以承受较大的轴向载荷和径向载荷。为传递相反方向7的轴向载荷，之所以需要另一个与其对称安装的圆锥滚子轴承，是因为圆锥滚子轴承只能传递单向载荷。单列圆锥滚子轴承是圆锥滚子轴承中用量最多的。四列圆锥滚子轴承主要用在大型热、冷轧机等重型机器中。近年来在轿车的前轮轮毂中也用上了小尺寸的双列圆锥滚子轴承。圆锥滚子轴承主要承受的是以径向为主的轴、径向联合载荷。外圈滚道的角度越大承载能力

19、越大。该类轴承属于分离型轴承，单列、双列和四列圆锥滚子轴承是根据轴承中滚动体的列数分的。双列和四列圆锥滚子轴承游隙已经依据用户要求在产品出厂时给定，不须用户调整；而单列圆锥滚子轴承游隙需在安装时进行调整。圆锥滚子轴承圆锥滚子排列在外圈和内圈滚道两者之间。这种设计使得圆锥滚子轴承能够适合承受复合负荷。轴承的轴向负荷能力是由接触角所决定的；角度越大，轴向负荷能力也就越高。同时角度大小用计算系数E来表示；E值越大，接触角度就越大，轴承承受轴向负荷也越大。圆锥滚子轴承通常是由圆锥外圈和圆锥内圈组件可以分开安装。23伸缩的脚部机构采用了LAM3S350ROEDC24型号电动推杆，伸出行程为50MM。电力

20、驱动装置将旋转运动转变成推杆的直线往复运动，实现远集中控制、距离控制或自动控制，在各种简单或复杂的工艺流程中做为执行机械使用。其特点是动作灵敏，性能可靠，推拉力相同，运行平稳，环境适应性好等，能够使吸盘机器人很好的适应大型自由曲面的加工环境。工作原理利用电动机正反转把电机的旋转运动变成直线运动，完成推杆动作。通过改变杠杆力臂长度，可以增大行程。通过各种摇杆、杠杆或连杆等机构可完成摇动、转动等复杂动作。行程控制装置经过电机齿轮上的涡杆带动涡轮转动，由连接板带动限位杆相应作轴向移动，使涡轮内的丝杆作出轴向移动，至所需行程时，电动机停止运转（通过调节限位块压下行程开关断电）。表23电动推杆技术参数型

21、号额定推力N减速比I行程MM速度MM/S满载电流ALAM3S35075030/15081018824吸附方式的选择机器人的设计需要针对工作任务、环境，选取合适的吸附方式。现在，吸附的方式主要有粘结剂、磁吸附、螺旋桨推力及真空负压吸附等几种。因为这些方式都具有一定的局限性，所以研制出来的机器人往往针对性强，较难通用化，只适用于某种特定任务。机器人的设计就需要针对工作环境、任务而选取合适的吸附方式。本课题设计的吸盘式大型自由曲面微小研抛机器人的工作环境基本为金属表面，所以本设计可以采用真空吸附的方式。同时，这样的设计也有利于减轻机器人整体的重量。考虑到降低机器人结构复杂程度及机器人工作的环境表面状

22、况为状况良好的模具待加工表面，采用单吸盘的真空吸附方式是一种比较可行、合理的方式。图22真空回路连接图241真空发生器的选择利用正压气源产生负压的一种高效、新型、经济、小型、清洁的真空元器件就是真空发生器，这使得在一个同时需要正负压的气动系统的地方获得负压或在有压缩空气的地方，变得十分方便和容易。工业自动化中，真空发生器广泛应用在印刷、机械、电子、塑料、包装及机器人等领域。真空发生器的传统用途是进行各种材料的吸附、搬运，特别适合用来吸附柔软、易碎、非金属材料或球型物体。在这类应用中，一个共同特点是真空度要求不高，为间歇工作且所需的抽气量小。真空发生器的工作原理利用喷管高速喷射压缩空气，在喷管的

23、出口处形成射流，在卷吸作用下产生卷吸流动，使得喷管出口旁的空气被不断地抽吸走，9以致吸附腔内的压力降至大气压以下，从而形成一定真空度。真空发生器的主要性能参数（1）吸入流量当吸入口向大气敞开时，吸入流量最大，为最大吸入流量。2空气消耗量从喷管流出来的流量3吸着响应时间吸着响应时间是从打开换向阀到系统回路中到达一个必要的真空度的时间。它是一个重要参数来表示真空发生器工作性能的,4吸入口处压力记为P当吸入流量为零时,即吸入口被完全封闭，吸入口内的压力为最低。真空发生器选择的型号为SMC公司生产的ZU07S直管型真空发生器。其特点（1）采用树脂器体，重量较轻。（2）真空口和供气口在一直线上，配管容易

24、。（3）内置快换接头。（4）管道型设计，不需特别安装。（5）标准配有快换接头，接管方便（6）标准型号已是无铜规格。10表24真空发生器规格表使用流体空气最高使用压力07MP标准使用压力045MP流体及环境温度560C适合管子外径6（进气孔及真空口）型号类型喷嘴MM最高真空度KAP最大吸入流量/MINANR耗气量/MINANRZU07S高真空型07851219图23ZU07S真空发生器外形尺寸图排气口供气口真空口图24ZU07S真空发生器图形符号11242电磁阀的选择电磁阀是用在工业控制系统中调整介质的流量、方向、速度和其他的参数的电磁控制的工业设备。电磁阀利用电磁的效应进行控制，主要由继电器控

25、制。这样，控制的灵活性和精度都能够保证，电磁阀还可以配合不同的电路用来实现预期的控制。不同的电磁阀在控制系统的不同位置发挥作用，电磁阀有很多最常用的是方向控制阀、速度调节阀、安全阀、单向阀等。电磁阀分为类（1）分步直动式电磁阀它是一种先导式和直动相结合的原理，通电后，当入口与出口没有压差时，电磁力直接把主阀关闭件和先导小阀依次向上提起，阀门打开。通电后，当出口与入口达到启动压差时，电磁力先导小阀，上腔压力下降，主阀下腔压力上升，利用压差把主阀向上推开；断电时，先导阀利用介质压力或弹簧力推动关闭件，向下移动，关闭阀门。在零压差或真空、高压时亦能可动作，要求必须水平安装，功率大。（2）直动式电磁阀

26、电磁线圈通电时产生电磁力从阀座上把关闭件提起，阀门打开；电磁力断电时消失，关闭件被弹簧压在阀座上，阀门关闭。通径一般不超过25MM，负压、真空、零压时能正常工作，。（3）先导式电磁阀电磁力通电时把先导孔打开，上腔室压力下降，在电磁阀闭件周围形成上低下高的压差，关闭件被流体压力推动向上移动，阀门打开；弹簧力断电时把先导孔关闭，入口压力通过旁通孔腔室在关阀件周围形成下低上高的压差，关闭件被流体压力推动向下移动，关闭阀门。可任意安装但必须满足流体压差条件，流体压力范围上限较高。电磁阀在选型时注意事项一、适用性（1）电磁阀所允许的液体粘度一般在20CST以下，大于20CST的应该注明。（2）流体的温度

27、必须比选用电磁阀的标定温度小，管路中的流体须与选用的电磁阀系列型号中标定的介质一致。（3）工作压差，最低工作压差大于004MPA时可以选用先导式电磁阀；最高工作压差应小于电磁阀的最大标定压力，管路的最高压差小于004MPA时应选用如2W，ZS，ZQDF，ZCM系列等分步直动式和直动式；一般电磁阀都是单向工作，因此要注意是否有反压差，如有安装止回阀。（4）流体清洁度不高时应在电磁阀前安装过滤器，一般电磁阀对介质要求清洁12度要好。（5）注意流量孔径和接管口径；电磁阀一般只有开关两位控制；条件允许请安装旁路管，便于维修；水锤现象时要定制电磁阀的开闭时间调节。（6）注意环境温度对电磁阀的影响（7）电

28、源电流和消耗功率应根据输出容量选取，电源电压一般允许10左右，必须注意交流起动时值较高。二、可靠性（1）电磁阀分为常闭和常开二种；一般选用常闭型，通电打开，断电关闭；但在开启时间很长关闭时很短时要选用常开型了。（2）寿命试验，工厂一般属于型式试验项目，确切地说我国还没有电磁阀的专业标准，因此选用时慎重动作时间很短频率较高时一般选取直动式，大口径选用快速系列。三、安全性（1）电磁阀的最高标定公称压力一定要超过管路内的最高压力，否则使用寿命会缩短或产生其它意外情况。（2）一般电磁阀不防水，在条件不允许时请选用防水型，工厂可以定做。（3）有腐蚀性液体的应选用全不锈钢型，强腐蚀性流体宜选用塑料王电磁阀

29、。四、经济性有很多电磁阀可以通用，但在能满足以上三点的基础上应选用最经济的产品。本设计选用的是两位两通直动式电磁阀。型号为UD06RC1/4，特点活塞直动式，快速反应；可多用途使用；高效率，长寿命；优良的防水性能；配线方向灵活；外形美观。13表25UD06型电磁阀技术参数表243真空吸盘的选择计算真空吸盘的工作原理将真空吸盘通过接管与真空设备接通，然后与待提升物如玻璃、纸张等接触,起动真空设备抽吸,使吸盘内产生负气压，从而将待提升物吸牢，即可开始搬送待提升物。当待提升物搬送到目的地时，平稳地充气进真空吸盘内，使真空吸盘内由负气压变成零气压或稍为正的气压,真空吸盘就脱离待提升物，从而完成了提升搬

30、送重物的任务。其特点为（1）易损耗。由于它一般用橡胶制造，直接接触物体，磨损严重，所以损耗很快。它是气动易损件。正因如此，它才如此显著地从众多气动元件中重点突出出来了。（2）易使用。不管被吸物体是什么材料做的，只要能密封，不漏气，均能使用。电磁吸盘就不行，它只能用在钢材上，其他材料的板材或者物体是不能吸的。（3）无污染。真空吸盘特别环保，不会污染环境，没有光、热，电磁等产生。（4）不伤工件。真空吸盘由于是橡胶材料所造，吸取或者放下工件不会对工件造成任何损伤。而挂钩式吊具和钢缆式吊具就不行。在一些行业，对工件表面的要求特别严格，他们只能用真空吸盘。本课程中选用的真空吸盘采用公称直径为80MM的吸

31、盘，这种吸盘能够适应15的倾角，单个吸盘可以提供大概30KG的提升能力。2222TAN2RLLR根据本课题中的机器人结构参数，L可取500MM，15，根据上式可以算出曲率半径R500MM。所以本微小机器人可以在曲率半径大于500MM的规格阀体材质动作方式接管口径通径MM使用流体压力范围使用温度额定电压允许电压范围最短励磁时间UD06黄铜直动式G1/825空气010MPA599；AC220V15005S14曲面上移动。真空吸盘的理论吸力可由下面的公式求得42NPDFUE式中，DE为真空吸盘的有效直径（M），PU为真空度（PA）。这样，根据已有的真空吸盘，只要通过设定真空度，就可以调节真空吸盘的理

32、论吸力。这里DE取008M，PU取85KAP，可计算出吸盘的最大吸力。MAXFN4278500008042、图25吸盘机器人在自由曲面上行走原理图现在计算机器人移动过程中丝杆最大位移量时所需要的吸盘吸引力F的大小。其中1G为脚部结构的重量，取98N；2G为工具端和丝杆部分重量之和，取49N；F为所需的吸盘吸力；L为丝杆长度，取550MM；D是吸盘的直径，这里取80MM。根据力矩平衡列出下面的等式，就可求得所需的吸盘吸引力F。22222221DGDFLGLG计算得F233N427N，故所选吸盘的吸引力满足丝杆移动的极限位移量要求。153前进与越障功能的实现研抛机器人既可以直线前进又可以跨越障碍。

33、下面来介绍机器人实现这两个基本功能的过程。为了叙述的方便，把竖直方向的电机、滚珠丝杠和吸盘称为A组，水平方向的称为B组。31直线前进功能的实现机器人的直线行走实现形式如图31所示。（1）研抛机器人处于初始状态。工具头在中间。吸盘全部处于吸附的状态。（2）首先A组的吸盘不动，对B组吸盘进行真空破坏，此时B组的吸盘打开。A组的电机工作，B组结构和工具头沿A组的丝杠向前移动一段距离。（3）当移动到指定位置时，停止电机的工作。B组吸盘与加工的表面接触，产生真空，从而吸附在表面上。（4）对A组的吸盘进行真空破坏，吸盘打开。A组的电机工作，使A组的丝杠向前移动，移动距离与前过程中工具头前进的位移相同。（5

34、）A组的吸盘与表面接触，产生真空吸附，机器回到了初始的状态。以上便是研抛机器人向前移动的步进过程，如此循环，即可以实现机器人的不断向前。但从上述过程中，可以明显的看出，这种移动方式具有间歇性，移动速度缓慢，并且在间歇过程中，工具头一直处于不动的状态，对加工效果有较大影响。16图31直线运动的实现方式32跨越障碍的实现在本设计的研究中，由于机器人的脚步机构是由可伸缩的电动推杆实现，电动推杆的行程为达50MM，所以从理论上来讲，机器人可以跨越高度为50MM的台阶面。如图42所示，为小机器人的越障过程。此示意图是在侧面观看机器人跨越台阶障碍的效果图。为了方便，我们暂且称两边的吸盘、电动推杆、滚珠丝杠

35、和电机为A组，中间的部分为B组。17图32机器人越障功能的实现（1）机器人处于初始状态。为了能够顺利跨越障碍踏上台阶，要使机器人最前端的吸盘靠近台阶侧面。工具头和B组吸盘结构也靠近台阶面的侧面，这样可以为后面的向前移动提高足够大的可移空间。（2）A组吸盘真空破坏，吸盘打开的同时电动推杆收缩，抬起到足够高的距离，最大可以为50MM。（3）A组的电机工作，使得滚珠丝杠向前移动，A组中前端的吸盘踏上台阶面。（4）A组的电机停止工作，丝杠停在指定位置上。A组的电动推杆伸出，使两个吸盘都与表面接触，产生真空，吸附在表面上。（5）破坏B组吸盘的真空，使吸盘打开，同时电动推杆收缩，使吸盘抬起到可以踏上台阶面

36、的高度。（6）A组中的电机工作，使得工具头与B组结构同时沿A组的丝杠向前移动，踏上台阶面。（7）B组结构移动到指定位置，电动推杆伸长，使吸盘与表面接触，形成真空吸附。（8）A组中的吸盘打开，电动推杆收缩，使吸盘抬起。18（9）A组中电机工作，A组的结构向前移动，使最后面的吸盘踏上台阶面。此时，机器人的整体都已经在台阶面上了。（10）A组的电动推杆伸出，使吸盘形成真空吸附。以上是研抛机器人越过台阶面式障碍的过程。当障碍区域为缝隙、较深的凹陷等情况时，都可以根据上面的方式进行跨越。4工具端的设计41工具端设计图工具端设控制工具头转动的电机仍然选择BS42HB3801型二相混合式步进电机。步进电机1

37、带动丝杆转动从而实现机座的上下移动。研抛工具头随着机座的上下移动而移动。通过控制步进电机1而调节研抛工具头上下的位置，以适应自由曲面的具体状况。由步进电机2的启停，控制研抛工作的开始和结束。图41为工具端的设计图。19图41工具端1连接架2螺栓连接3电动机14支撑架5螺钉连接6联轴器7套筒8丝杆螺母9垫片10螺钉连接11机座12丝杆13深沟球轴承14轴承端盖15研抛工具头16联轴器17螺钉联接18电动机242研抛工具头的选择研抛材料有（1）砂轮，用磨料和结合剂树脂等制成的中央有通孔的圆形固结磨具。砂轮是磨具中用量最大、使用面最广的一种，使用时高速旋转，可对金属或非金属工件的外圆、内圆、平面和各

38、种型面等进行粗磨、半精磨和精磨以及开槽和切断等。（2）尼龙抛光轮，切削力强，可部分取代传统之布砂轮，海绵布轮及胶砂布轮，可覆盖砂布带所留下之粗线条，对于铸件之较大毛边精除及连修效果极佳且研磨后纹路细密美观。可用于手工及自动研磨，中间或后段线条处理及消除较不显眼的表面瑕疵。3砂布轮（4）海绵抛光轮5牛皮20抛光轮（6）橡胶抛光轮（7）羊毛抛光轮（8）钻石磨棒9钨钢滚磨刀43控制工具头升降的电机的计算滚珠丝杆选择GZF1604因为工具头上下移动时，是未到加工点的过程，所以此时是待加工状态，整个系统对螺母的作用只有工具头的重力。计算中，取这块质量为3KG。最大速度为5MM/S。所以，外载荷产生的转矩

39、MNPGMHOTA02102000预紧载荷FAOG/398N，预紧载荷而产生的转矩MNKPFMPHOAOTE00202000滚珠丝杠的惯性矩248032CMKGDLJS初选电机惯性矩JD54GCM2电机负荷总惯性矩JMJSJD134105KGM2电机的转速NV/PHO75R/MIN电机由静止加速到设计的工作转速用时2秒，角加速度39RAD/S2。因此，由加速而产生的转矩为MNJMMA510235所以，电机负荷的总的转矩为MNMMMMATETA0230电机的保持转矩MDM/300077NM所以电机可以选择BS42HB3801型二相混合式步进电机。215控制流程本课程采用PLC控制。它采用一类可编

40、程的存储器，用于其内部存储程序，执行逻辑运算，顺序控制，定时，计数与算术操作等面向用户的指令，并通过数字或模拟式输入/输出控制各种类型的机械或生产过程。51PLC接口设计图51是PLC接口的电路连线图。图51PLC接口电路图输入继电器与输出继电器的端口连接如表51和表52所示。表51各输入继电器连接端口输入继电器X0X1X2X3X4X5X6X7X10X11连接触点开启开关电机1正转开关电机1反转开关电机2正转开关电机2反转开关电机3正转开关电机3反转开关电机4正转开关电机4反转开关停止开关22表52各输出继电器连接端输出继电器Y0Y1Y2Y3Y4Y5Y6Y7连接触点电机1正转线圈电机1反转线圈

41、电机2正转线圈电机2反转线圈电机3正转线圈电机3反转线圈电机4正转线圈电机4反转线圈2355PLC程序流程图PLC控制的流程如图52所示。图52PLC控制流程图开关SB1X轴电动机正转60秒开关SB2X轴电动机反转60秒Y轴电动机正转60秒Y轴电动机反转60秒升降电动机正转20秒升降电动机正转20秒工具头电动机正转180秒工具头电动机反转180秒停止开关程序停止停止开关程序停止启动开关24PLC控制程序的梯形图如图53所示。图53程序梯形图256总结吸盘式移动机器人结构吸附能力大，承载力强，能跨越规则障碍的框架式移动结构，利用电动推杆结合吸盘的足脚设计，简化了控制的过程。研抛工具端设计了上下移

42、动的自由度，能够根据曲面的形状上下移动进行研抛。随着制造加工业向高效精密化、自动化方向发展，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，它对于提高研抛效率，保证产品质量，降低工人劳动强度等方面具有重要意义。26参考文献1田春娜浅谈机械制造业的发展前景J才智，2008（2）112蔡鹤皋机器人将是21世纪技术发展的热点J中国机械工策划年工程2000，11285953李海平国内模具工业的现状及研发趋势J科技资讯，2006252452464刘向阳，屈平我国模具工业发展现状J相关产业，2004，4258605赵继模具自由曲

43、面的自动研磨加工理论与实验研究D博士学位论文，吉林吉林工业大学，19976袁楚明，张雷，等机器人辅助模具自动抛光研究及发展趋势J中国机械工程，2000，1112142814297ZHAOJI，SAITOKETALANEWMETHODOFAUTOMATICPOLISHINGONCURVEDALUMINIUMALLOYSURFACESATCONSTANTPRESSUREJMACHTOOLSMANUFACT1995，35（12）9769838CARLOMENON，METINSITTIABIOMIMETICCLIMBINGROBOTBASEDONTHEGECKOJJOURNALOFBIONICENGI

44、NEERING，200631151259吴宗泽，罗圣国机械设计课程设计手册（第3版）M北京高等教育出版社，2006510濮良贵，纪名刚机械设计（第八版）M北京高等教育出版社，2006511李朋吸盘式微小研抛机器人研究D硕士学位论文吉林吉林大学，200912张传勇微小研抛机器人控制系统开发与研抛实验研究D硕士学位论文吉林吉林大学，200911姜继海，宋锦春，高常识液压与气压传动（第二版）M北京高等教育出版社，2009512郑堤，唐可洪机电一体化设计基础M北京机械工程出版社，1997713詹建明机器人研磨自由曲面时的作业环境与柔顺控制研究D博士学位论文，吉林吉林大学，200214郭彤颖，曲道奎，徐方机器人研磨抛光工艺研究J机械加工与自动化技术，2006（1）848527