1、1毕业论文开题报告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一、选题的背景与意义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7。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行业的发展。因此,进行模具精加工的
2、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
3、。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。二、研究的基本内容与拟解决的主要问题为了让机器人达到成功研抛加工的目的，我们主要研究的内容有两个，一个是研抛机器人的运动机构，一个是研抛机器人的研抛机构。21运动机构2运动机构，是研抛机器人关键机构之一，他在研抛过程中有确定运动轨迹和牵引研抛机构的作用。小型研抛机器人在大型曲面上加工时，确定其运动轨迹以及保证机器人能按预定轨迹上上运动是设计机器人的必要要求，所以我们要让运动机构具有高效率性，高精确度的特点。图1研抛机器人移动机构模
4、型22研抛机构研抛机构是设计的另一关键点。因为机器人是要在大型曲面上自主进行研抛工作，所以我们在设计的时候在使研抛机构具有主动调节功能，抛光轮可以不断的适合新曲面进行加工。在设计研抛机构时，我们主要致力于抛光轮对大型号曲面的适合性以及抛光轮在加工过程的工作效率。研抛机器人加工的曲面的曲率不是固定的，而是会随着轨迹的位移而产生变化的，机器人在加工过程中要克服这一点是提高加工效率最直接的方法。对于运动机构，为了保证它的高性能，我们设计他的驱动系统是两独立轮驱动。实行两独立轮驱动同，依靠两驱动轮速度差的特点可以实现机器人直行、转弯、停止等运动方式，可以让机器按照预定的轨迹进行运动，也可以让偏离了预定
5、的机器人重新回到预定轨迹。因为研抛机器人不仅仅在水平面上进行研抛，还需要在斜率比较大甚至在斜率为负值的东风压倒西风上进行研抛，所以我们设计的机器需要对加工的曲面具有一定的吸附能力。但考虑到机器人的运动的灵活性以及机器人脱离曲面的问题，我们需要吸附能力具有可变性，便于控制机器人的3加工过程。对于研抛机构，我们利用弹簧的回复性来实现抛光片的适应曲面的特点，这样不仅能使抛光片的抛光角度随着曲率的变化而变化，还不会影响到抛光的效率。为了使弹簧的弹性得到发挥，在研抛机器人加工曲面时，我们就需要使弹簧具有回复力，这样子可以使抛光轮从接触曲面开始就适应曲面，进行变化，所以在设计的时候我们将研抛机构也设计成具
6、有吸附能力，而且吸附面处于弹簧的压缩回复力段。同时，考虑到让抛光轮在适应曲面时具有最佳的接触面积，我们采用多段弹簧进行控制，在抛光轮的边缘上每90度设置一个弹簧装置，每个弹簧就可以根据曲面变化产生不同的回复力，回复力对抛光轮行成压力，根据压力的比较，这样就能让抛光轮根据曲面做出最佳变化。三、研究的方法与技术路线为了让研抛机器人能达到预定的目标，我们首要的任务是使其能按预定的轨迹移动，所以第一个要设计的就是其运动机构。在运动机构上，我们采用了差速驱动原理，它是利用两个轮的独立性，让两个轮形成速度差达到直行，定半径转弯，停止等运动方式。借助于独立两轮的速度差可以实现机器人的转弯；当其中一轮的速度为
7、零时，可以实现绕不动轮的中心实现旋转，这种旋转称为枢轴旋转；当两轮彼此速度反向的运动，可以实现机器人绕两轮轴中心位置的自旋旋转。第二步，我们要进行研抛机器人运动学分析，根据各个结构的数据推导出速度公式，使其成为我们可控制的变量。在进行研抛机器人运动学分析时，我们是以得知两独立驱动轮速度为前提的，通过两独立驱动轮速度，我们可以得出研抛机器人的运动速度以及运动角速度。再通过分析研抛机器人的结构，我们可以得出各个结构之间的距离。通过运动速度，运动角速度，各个距离，还有雅可比矩阵，我们可以得出逆运动学公式。第三步，我们要对研抛机器人的运动轨迹进行模拟与误差分析，从分析结果中，我们可以得出如何去减小误差
8、，提高效率。在研抛机器人虽然能在加工过程中转动灵活，可以做圆弧或曲线运动，但是为了保证其加工作业的连续性，我们令其走直线，这样的加工效果较好。由于机器人的加工对象是大型曲面，从机器人的工作效率来看，直线轨迹运动要高于曲线轨迹运动。机器人在沿曲线轨迹闸工时，需要不断地调整研抛工具的位姿，以保证加工效果，而机器人在沿直线轨4迹加工时，对其研抛工具位姿的调整比较容易。图2研抛机器人对直线路径的跟踪第四步，我们需要设计如何使运动机构成功运转，即要设计一个控制系统。为了实现机器人的前进、转弯、停止的运动方式，我们采用多功能数据采集卡采集传感器的电压信号，经过适当的数据处理后，得到通过控制给步进电机驱动器
9、的脉冲数量来对步进电机的位移进行控制，从而实现实现行走运动。工具系统的控制采用电流源控制直流电机，实现研抛加工的转速变化，最终实现研抛力的主动控制。图3研抛机器人控制框图第五步，对设计好的运动机构进行实验，使其在曲面上进行直线运动，得知我们设计的研抛机器人的直线追踪能力。要使研抛机器人最终能够完成对大型曲面的研抛加工作业，首先必须保证机器人能够在工件曲面上准确、稳定的运动，这就要求研抛机器人肯有良好的运动能力。若机器人无法达到相当的要求，那就就需要进行相应的调整和改进。5第六步，对研抛机构进行设计，使其具有随曲率改变而变化的特点以及抛光的能力。要是抛光轮具有自动适应能力，不仅可以提高加工效率，
10、还不用考虑加工不完全的问题。在加工过程中，曲面的曲率不断的在改变，研抛机器人若是少了自己适应曲面的能力，为了加工过程的完整性，在其加工过程中就需要不断的人工调整，这样子极大的降低了加工效率，所以自动适应能力对于研抛机器人是非常重要的一个特点。第七步，将运动机构与研抛机构进行组合进行整体运动实验，判定其各个特性，确定研抛机器人的可靠性。四、研究的总体安排与进度13周理解设计任务，收集资料；完成外文翻译；完成文献综述和开题报告；（进行中）47周总体结构与主要零件设计；812周零件图纸绘制；13周完成毕业设计说明书，准备答辩。参考文献1JMZHAN,JZHAOANDMYUCOMPLIANTEDMFO
11、RFREEFORMSURFACESPOLISHINGKEYENGINEERINGMATERIALSVOLS2022032001P73782DONGHUNSHINANDHOJOONGKIMTWINBRUSHFLOORPOLISHINGROBOTJOURNALOFINTELLIGENTANDROBOTICSYSTEMS29295308,20003JEONGDUKIMANDMINSEOGCHOISTUDYONMAGNETICPOLISHINGOFFREEFORMSURFACESINTJMNEHTOOLSMANUFAETVOL37,NO8,PP11791187,19974MJTSAIJFHUANGEF
12、FICIENTAUTOMATICPOLISHINGPROCESSWITHANEWCOMPLIANTABRASIVETOOLINTJADVMANUFTECHNOL2006308178275JMZHAN,SX,XUP,XZHUSTUDYONTHECONTACTFORCEINFREEFORMSURFACESCOMPLIANTEDMPOLISHINGBYROBOTJOURNALOFMATERIALSPROCESSINGTECHNOLOGY，1292002,P1861896ANGELESJFUNDAMENTALSOFROBOTICMECHANICALSYSTEMSTHEORY,METHODS,ANDAL
13、GORITHMSMNEWYORKSPRINGERVERLAG,20027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67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
14、，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
15、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。8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
16、现对工件表面的自动化精加工1。9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
17、,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10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
18、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。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
19、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
20、节,研抛工具沿主轴方向运动,可以调整其对被加11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
21、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
22、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12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
23、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
24、，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
25、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1314本科毕业论文（20届）差速驱动研抛机器人的运动控制摘要目前，大型曲面的研抛设备都是手动加工，具有低效率、难度高、低工作能力等缺点，这是设计移动机器人的主要原因。这就对研抛15机器人的运动控制要求该小型抛光机器人必须具有在大型曲面上运动适应曲面曲率变化的特点。本文设计的小型研抛机器人在其运动机构上采用了差速驱动的原理，使该机器人具有了前进、后退、转弯、停止等功能，能在曲面上自由的移动到各个方位，因此我们确定了机器人的运动模型和逆向运动控
26、制；在其抛光机构上利用了弹簧系统的回复能力以及气压系统的控制调节能力，使小型研抛机器人的抛光刷能上下调动以适应于不同曲率的曲面，因此使小型机器人的抛光机构具有适应曲面曲率变化的特点；同时抛光机构上采用了多重抛光，安装了两个抛光刷，不仅能提升抛光的精度，保障了抛光的稳定性，还令抛光刷在抛光过程上受到的反作用力相互抵消，避免影响小型研抛机器人的运动。通过分析运动特性和自动抛光过程，本文建立了机器人姿态方程式。在实验中，证明了小型移动机器人在大型曲面上进行研抛是可行的。关键词大型曲面；研抛；小机器人；运动控制。16ABSTRACTATPRESENT,THEPOLISHINGOFLARGEFREEFO
27、RMSURFACES,SUCHASCARBODYCOVERINGMOLD,LARGEOPTICALMIRRORANDHULL,DEPENDSONMANUALWORKSMANUALLYPOLISHINGHASTHEDISADVANTAGESOFLOWEFFICIENCY,HARDWORKING,ANDPOORPROCESSINGCAPACITY25ASMALLPOLISHINGROBOTMUSTBEMADETOADAPTTHECHANGEOFCURVATUREANDSLOPEOFTHECUTTINGCURVEDSURFACESWHENITMOVESONTHELARGECURVEDSURFACET
28、HISPAPERDEVELOPSASMALLMOVINGROBOTTOMOVEONTHELARGECURVEDSURFACEBYDIFFERENTSPEEDDRIVETHEORY,WHICHMAKETHEROBOTCANGOAHEAD,GOBACK,SWERVE,STOP,SOITESTABLISHEDTHEKINEMATICSMODELANDTHEINVERSEKINEMATICSFORMOVEMENTCONTROLOFTHEROBOTTHESMALLMOVINGROBOTHASSPRINGSYSTEMANDPNEUMATICSYSTEM,WHICHCANADAPTTHECHANGEOFCU
29、RVATUREANDSLOPEOFTHECUTTINGCURVEDSURFACESMEANWHILE,THESMALLMOVINGROBOTHASTWOPOLISHINGBRUSH,WHICHCANMAKETHEWORKMOREACCURATE,MORESTABLE,ANDMAKEPOLISHINGWORKWILLNOTAFFECTTHEMOVEMENTPROCESSBYANALYZINGTHEMOTIONCHARACTERISTICSANDTHEPROCESSINGOFAUTOMATICPOLISHING,THEPAPERDEVELOPSTHEPOSTUREEQUATIONOFTHEROBO
30、TEXPERIMENTSSHOWSTHESMALLMOVINGROBOTISCAPABLEOFADAPTABILITYINPOLISHINGCURVEDSURFACESKEYWORDSLARGECURVEDSURFACE,AUTOMATICPOLISHING,SMALLROBOT,MOVEMENTCONTROL目录摘要错误未定义书签。ABSTRACT错误未定义书签。17目录161绪论1811研究的背景和意义1812论文所做的工作192运动机构2021差速驱动原理2022移动结构运动学分析2023运动轨迹与姿态误差分析2224控制系统建模233研抛机构2431研抛机构的抛光设计2432研抛机构的
31、适应设计264零件选择与计算2841电动机的选择与计算28411差速驱动系统的电动机选择28412抛光刷驱动系统的电动机选择2942轮胎的选择32421轮胎的设计32422轮胎的计算3343弹簧的选择3444抛光刷的选择3545联轴器的选择355总结与展望37参考文献39致谢错误未定义书签。附录错误未定义书签。181绪论11研究的背景和意义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7。同时现代模具工
32、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
33、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。在本文中设计出来的机器人可以有效的处理好上述的问题。该小型研抛机器人具有自我适应，自我抛光的能力，并不需要人为的控制其抛光的力度，这样可以做到抛光刷对大型曲面的抛光力度的一致性，可
34、以避免人为抛光造成的抛光不均匀等问题。其次，该小型研抛机器人具有吸附能力，可以有效的吸附在大型磁性曲面上，在该机器人对大型立式曲面进行研抛光，不需要人为的进行跟随移动，只需要远程操控机器的移动速度及移动方向即可，这种方法对大型曲面进行抛光工作，不仅可以保障员工的安全，也便于让员工观察曲面的抛光情况，适时的进行调整，不会局限在极小的范围内。同时，因为小型研抛机器人是自我适应曲面过程的，在加工过程中可以有效的提高加工的准确率，并且在大型曲面上时，员工不需要不断移动自身去适应未抛光的曲面，又可以使抛光的效率得到一定幅度的提升。19但本文设计的小型研抛机器人因为设计的局限性，也同样具有着一些缺点，其适
35、用的范围并不广。第一，该机器人不能在非磁性的大型曲面上进行研抛工作，因为本文设计的小型研抛机器人是靠磁性进行吸附曲面的，若大型曲面并不是磁性曲面，小型研抛机器人将无法吸附，这样就导致了小研机器人不能在立式曲面上进行抛光。第二，该小型研抛机器人不适用于凹型的曲面，仅适用于凸型的曲面，因为在设计过程中，本人无法想到能有效的对凹型的曲面进行抛光的方法，故仅对凸型曲面进行的设计，在设计中小型研抛机器研抛的范围是R75曲率以上的曲面。12论文所做的工作在本文中，首先确定了小型机器人的运动模型，并且阐述了运动模型的原理以及对其运动轨迹进行运动学分析。其次，对小型机器人进行研抛结构的设计，确定小型机器人具有
36、在变化曲率的曲面上进行研抛的功能以及控制在研抛过程中所形成的误差。同时，在设计小型机器人中，阐述了设计的原理以及在各种零件的选用上进行的说明，证明选用零件的合理性，使所设计的小型机器人可以达到在大型曲面上进行研抛的效果。202运动机构21差速驱动原理本文设计的研抛机器人移动机构是两轮独立驱动，采用差速驱动原理来运动。即就是单一的轮子本身没有转向能力，只有前进、后退、变速和停止，当两轮驱动轮同时驱动时，通过控制两轮的转速变化，形成速度差就可以实现移动机构的直行和定半径转弯，在机器人运动过程中，研磨盘直接接触工件，起到加工工件并辅助支撑平衡机器人的作用，所以分析中不考虑它的影响。借助于独立两轮的速
37、度差可以实现机器人的转弯；当其中一轮的速度为零时，可以实现绕不动轮的中心实现旋转，这种旋转称为枢轴旋转；当两轮彼此速度反向的运动，可以实现机器人绕两轮轴中心位置的自旋旋转。22移动结构运动学分析研抛机器人移动机构的运动学分析是以已知两驱动轮速度为前提来确定机器人移动机构的移动速度和旋转角速度。图21所示为研抛机器人移动机构模型。研抛机器人的质量在驱动轮的中垂面对称，质心为点M；N点为两驱动轮轴线中点；两驱动轮速度分别为RV、LV，距离为L；O为机器人速度瞬心，其角速度为，距离上轮的距离为A，距离车体质心M的距离为B；点N到M的距离为H。21图21研抛机器人移动机构模型由几何图形，以及两驱动轮的
38、几何关系可得到速度瞬心O到上轮的距离RLRVLAVV21N点速度NV为2IRNVVV22那么由几何关系可以得到2212212HLVVVVB23移动机构的角速度LVVRI24由以上几个式子可得RIVVLBV25整理以上几式，可以得到与速度有关的正运动学表达式LRVVLLLBLBV11其中2212212HLVVVVB22用移动机构的带标系，即研磨盘中心点M的坐标X，Y和角度变化来描述移动机构的位置和姿态。则机器人移动机构的运动学方程为COS0SIN001RLXVVMYJV26其中LLJ112SIN2SIN2COS2COS为机器人的雅可比矩阵。移动机构的逆运动学可以根据正运动学的基本公式求得22VX
39、Y最终求得LBLVVLBLVVRL42422723运动轨迹与姿态误差分析在研抛加工中，机器人虽然在运动中转动灵活，可以做圆弧或曲线运动，但是为了保证其加工作业的连续性，我们令其走直线轨迹，这样的加工效果较好。由于机器人的加工对象是大型曲面，从机器人的工作效率来看，直线轨迹运动要高于曲线轨迹运动。机器人在沿曲线轨迹加工时，需要不断地调整研抛工具的位姿，以保证加工效果，而机器人在沿直线轨迹运动时，对其研抛工具位姿的调整比较容易。所以，如图22所示为研抛机器人对直线路径的追踪。假设路径位于车体前方一定距离处，选择车体的旋转角速度作为控制变量，就能将车体与路径的距离差调到最小。23图22研抛机器人对直
40、线路径的跟踪24控制系统建模行走结构的两轮采用步进电机控制，实现机器人的前进、后退以及转弯的运动方式。在控制中通过NI公司的PCI6221多功能数据采集卡采集传感器输出的电压信号，经过适当的数据处理后，得到通过控制给步进电机驱动器的脉冲数量来对步进电机的位移进行控制，从而实现行走运动。工具系统的控制采用电流源控制直流电机，实现研抛加工的转速变化，最终实现研抛力的主动控制。工具系统的控制原理图和控制框图如图23所示。图23研抛机器人控制框图243研抛机构31研抛机构的抛光设计本文中采取双重抛光技术，即在机器人经过抛光曲面时，会对该曲面进行两次抛光，如图31。经过双重抛光后的曲面精度将更加得高，而
41、且不同部位的曲面之间的误差也低，使曲面更加光滑，效果更加明显。25图31抛光结构设计图此图中，1为抛光刷座，定们抛光刷的工作路线；2为金属块，与弹簧连接，定位抛光刷的竖直方位；3为抛光刷，用于抛光曲面；4为长传动轴的轴承；5为齿轮传动组；6为短传动轴的轴承；7为皮带轮传动组；8为皮带轮以及齿轮挡圈，共6个，用于固定皮带轮与齿轮，防止它们松动，偏离原位；9为轴瓦，类似于轴承，便于抛光刷上的轴进行转动，避免磨损；10为槽形挡圈，用于防止轴瓦的松动；11为联轴器TS5M15；2612为电动机35BY24L01。在抛光过程中，为了不让抛光轮对小车的运动产生影响，使两根抛光刷的旋转方向完全相反，这样可以
42、使两根抛光刷在抛光过程中对抛光曲面形成的作用力完全相反。同时使两根抛光刷的动力由一个电动机供给，这样的设计就能达到两个抛光刷的转速相同，又因为作用力方向相反的原因，使两根抛光刷在抛光过程中由抛光曲面形成的反作用力互相抵消。最终两根抛光刷不仅能达到抛光曲面的效果，也能使抛光刷具有辅助支撑小机械人车体的效果，并且不会因为抛光过程对小型机器人在曲面上的运动形成影响。32研抛机构的适应设计本文为了达到在曲面上做研抛的目的，设计了适应系统。该系统能使抛光刷在抛光过程中随着曲面曲率的变化而改变抛光的位置，使抛光刷一直紧连着曲面进行抛光，不会使抛光刷或者轮胎在抛光过程中出现悬空的现象，从而导致小机器受力不均
43、，在运动过程中产生偏差。该适应系统有两部分组成，第一部分是弹簧系统，第二部分是气压系统，如图32。图32适应结构设计图此图中，1为抛光刷，用于曲面抛光；2为抛光刷基座；273为金属块，协助弹簧系统对抛光刷的定位；4为弹簧，是适应机构的最重组成部分，可以使抛光刷进行大范围内的抛光；5为气压箱组，辅助弹簧进行抛光刷位置的调节，以及控制抛光刷的抛光力度。弹簧系统在适应系统中起着主要作用，它使抛光刷能在大范围内产生变化，即能适应变化率比较大的情况，这样可以让整个研抛系统适用的环境更加的广泛。弹簧的两端分别连接的是气压箱以及一块金属块。金属块的目的是为了使弹簧的力成功作用在抛光刷上，并且不会影响抛光刷的
44、抛光过程。第二个气压系统主要是由一个容积可变的气压箱构成的，气压箱的一侧连接的弹簧，另一侧连接着控制器。控制器的主要作用是控制气压箱内的气体体积，这种设计有两个好处一、在未进行抛光或者开始抛光时，调节气压，使弹簧处于平衡状态，这种可以使弹簧拥有更长的使用寿命，也可以使弹簧在抛光过程中起到更好的调节效果；二、在抛光过程中，因为曲面的曲率不同，弹簧受的压力也会不同，从而单独使用一个弹簧系统会导致在抛光过程中不同曲率的曲面受到的抛光的力也会不同，这样会使曲面的精度受到影响，所以需要另一个平衡系统辅助弹簧进行适应。选择气压系统进行辅助弹簧系统达到适应的目的是因为气压传动有以下几个优点81气压传动的工作
45、介质是空气，取之不尽用之不竭，用后的空气可以排到大气中去，不会污染环境；2气压传动对工作环境的适应性好，在易燃、易爆、多尘埃、强辐射和振动等恶劣工作环境下，仍能可靠地工作；3气压传动动作速度和反应快，气体流速可以大于10M/S，因此在002003S内即可以达到所要求的工作压力及速度；4气压传动有较好的自保持能力。即使压缩机停止工作，气阀关闭，气压传动系统仍可维持一个稳定压力。5气压传动系统的工作压力低，因此气压传动装置的推力一般不大于1040KN，适用于小功率场合。284零件选择与计算41电动机的选择与计算本文设计院的小型研抛机器人共有三处用到电动机传动，两处用于带动轮胎转动，一处用于带动抛光
46、刷转动。411差速驱动系统的电动机选择为了实现差速驱动效果，设计时必须使两个主动轮胎具有独立驱动的能力，即两个主动轮胎的驱动装置是分开的，并不是一体的，每个主动轮都由一个电动机驱动。选用25BYZA01型号的电机，如图41、图42、表41图4125BYZA01电动机样图29图4225BYZA01电动机工作原理图表4125BYZA01电动机参数根本25BYZA01电动机参数表，可得该电动机的额定功率为525NUIPW（41）412抛光刷驱动系统的电动机选择因为抛光刷系统是由两根抛光刷共同完成抛光工作，但为了抛光刷在转动过30程中不影响小型机器人在曲面上的运动，在设计时使两根抛光刷的转动方向相反，
47、所受的驱动力相等，使曲面对抛光刷形成的反作用力相互抵消。若选择两台同一型号的电动机分别来驱动两个抛光刷的工作，不仅会导致机器人的车身扩大，同时可能会因为电动机本身存在的系统误差，使两个抛光刷在工作时转速并没有完全相同，依旧对小型机器人的运动造成的了影响。通过以上的分析，本文设计的研抛系统将采用一个电动机对两个抛光刷同时驱动工作，这种设计将避免或者降低了两个同型号电动机分别驱动两个抛光刷带来的弊端。但因为仅用一个电动机来驱动两个抛光刷的驱动工作，所以这一电动机的功率将比较大，且这个电机的尺寸也将略大于独立驱动抛光刷的电动机的尺寸。经过分析后，本文设计方案中为研抛系统选用的电动机型号是35BY24
48、L01。该电动机的具有信息如下图43，图44，表42图4335BY24L01电动机样图31图4435BY24L01电动机工作原理图表4235BY24L01电动机参数根本35BY24L01电动机参数表，可得该电动机的额定功率为07227NUIPW324242轮胎的选择421轮胎的设计因为本文中设计的小型研抛机器人主要作用于大型的立式曲面，如船身，所以要求小型研抛机器人具有吸附在曲面上的能力。为了达到小型机器人能吸附在曲面上的能力，在设计时选择在轮胎上安装永磁铁，故小型机器人目前仅适用于可磁化的金属曲面上，并不能在其它金属曲面上进行研抛工作。在选择轮胎时，要考虑到轮胎的吸附能力，轮胎上必须装有永磁
49、铁，这样便于吸附于曲面上。但又因为金属与金属之间的摩擦系数小，从瞬间点接触时刻不易形成滑动摩擦力，即不利于小型机器人在曲面上的移动；同时纯金属的轮胎密度比较大，导致同体积的轮胎质量大，造成所需的转动惯量比较大，这种轮胎对电动机的功率需求同样比较大，即纯金属的轮胎需要相对高功率的电动机才能驱动。综合以上可得纯金属的轮胎并不适合成为小型机器的移动轮胎，因此，在选择轮胎时，本文选择了特制的轮胎。特制的轮胎主要有两部分组成。第一部分，同样也是特制轮胎的主要材料是橡胶轮胎，但橡胶轮胎每225度角的位置会有一个梯形槽，共16个梯形槽；第二部分是吸附曲面的主要材料永磁铁，一个轮胎需要16个永磁铁，整台小型研抛机器人共有四个移动轮（两个主动轮，两个从动轮），帮共需永磁铁64块，并且永磁铁的形状与橡胶轮胎上的梯形槽是对应的，即永磁铁可镶入橡胶轮胎的梯形槽中。特制轮胎的设计图如图45所示33图45轮胎设计图此图中，1为永磁铁，2为橡胶，3为金属支架。422轮胎
