研抛大型复杂曲面自主作业微小机器人研究

论文摘要

大型精密模具制造的自动化是汽车等制造行业产品加快更新、升级,提高效率、降低成本的重要保障。大力发展和创造高技术含量的自主知识产权机电产品是我国经济健康发展和经济安全的客观要求。复杂曲面的精整加工是大型模具制造的重要环节,急需实现自动化和智能化。目前在这方面的研究多集中于开发大型的精整加工设备,不仅成本高、技术难度大,而且对不同规格的工件缺乏适应性。为解决这个问题,本课题组基于用小型设备加工大型工件的理念,提出了用微小机器人自主研抛大型复杂曲面新的学术思想。利用微小机器人在大型复杂曲面上的灵活移动,依据曲面的几何信息和工艺信息自主决策,进行研抛作业,实现了一种以小型设备加工大型复杂曲面的技术构想。本文根据以上思想,研发了一种具有高度机动和可操纵性运动机构的四轮移动机器人。由于其两个主动轮的转向和速度由四个直流电机独立控制,使它具有比普通车辆的同轴差速运动机构更好的机动性,可以实现在曲面上任意两点间、以任意姿态、沿任意指定轨迹的运动。所集成的研抛工具系统可以随机器人的运动实现对工件的主动柔顺研抛作业。由微小研抛机器人、工控机和机器视觉系统构成的研抛加工系统成为适合精整加工各种规格大型复杂曲面的柔性研抛加工平台。本文根据需求,设计了一种实用的柔性研抛工具,并且根据其磨粒高度的统计学分布规律和弹性理论对其进行了材料去除和工艺规律的研究。针对该机器人的工作特点,通过对其主动轮非完整约束的分析,为其建立了运动学模型。在此基础上,提出航标循迹导航方法。即利用研抛轨迹上的离散点作为航标点对机器人逐次进行导航,通过控制航标点在机器人坐标系中的方位角,实现机器人对任意研抛轨迹的跟踪。为消除机器人轨迹跟踪计算中的奇点现象,采用虚拟的机器人视觉角度考虑航标点的方位,即以机器人自身动态联体坐标系作为航标点方位参照的方法,取得良好效果。对运动学和轨迹跟踪的仿真和实验证明了所建立运动学模型的正确性和轨迹跟踪方法的实用性。利用罗伯森-维滕堡法（RW法）对微小研抛机器人进行了动力学分析。针对多刚体系统中存在的间接驱动,提出了在间接驱动的刚体间设置虚拟力元的方法,以解决这类多刚体系统的动力学建模问题。在对该机器人动力学研究中,针对作用于内接滑移铰刚体的力元的动力学问题,对多刚体系统的广义力计算方法进行了推导和拓展,使利用RW法动力学普遍方程可以解决这类刚体系统的动力学建模问题。微小研抛机器人的研抛加工试验结果表明,初始Ra值约为1.6μm的工件表面经过机器人研抛后,可以达到粗糙度水平为Ra0.2μm的效果。证实了利用微小研抛机器人可以实现对大型复杂曲面的研抛加工,并达到理想的表面质量的技术创新思路是可行的。

论文目录

• 提要
• 第1章 绪论
• 1.1 大型复杂曲面自主研抛微小机器人技术研究的背景
• 1.1.1 模具曲面精整加工现状
• 1.1.2 大型曲面自主研抛作业微小机器人技术研究的意义
• 1.2 机器人曲面精整加工技术研究进展
• 1.3 移动机器人技术的发展趋势
• 1.3.1 移动机器人研究进展
• 1.3.2 移动机器人的轨迹规划和导航
• 1.4 轮式移动机器人的运动学和动力学研究进展
• 1.5 本文的主要研究内容
• 第2章 研抛大型复杂曲面的自主作业微小移动机器人系统研究
• 2.1 自主研抛作业机器人系统的规划与集成
• 2.1.1 自主研抛作业机器人系统技术构思与创新
• 2.1.2 自主研抛作业机器人的结构与性能研究
• 2.2 机器人被动轮机构悬挂系统和减振优化
• 2.2.1 缓冲器阻尼模型分析
• 2.2.2 作用于缓冲器的激励和响应
• 2.2.3 缓冲器对激励的响应特性分析和参数设计
• 2.2.4 等效阻尼与汽缸孔、节流孔截面积间的关系
• 2.3 被动柔顺曲面精整磨具的材料去除和工艺研究
• 2.3.1 磨具结构和加工原理
• 2.3.2 磨具材料去除模型的建立和解析
• 2.3.3 工件材料去除模型
• 2.3.4 研抛工具工艺参数及其材料去除规律
• 2.4 本章小结
• 第3章 微小研抛机器人运动学分析和轨迹跟踪方法研究
• 3.1 微小研抛机器人的运动学分析
• 3.1.1 机器人工作空间坐标系选取和位姿描述
• 3.1.2 机器人在工作平面的运动学分析
• 3.2 平面运动的控制策略和轨迹跟踪
• 3.2.1 航标循迹法控制算法
• 3.2.2 自主作业研抛机器人角度偏差的模糊控制
• 3.2.3 自主作业研抛机器人主动轮的控制和运动仿真
• 3.3 基于机器视觉的机器人在三维空间的运动控制
• 3.3.1 虚拟机器人视觉
• 3.3.2 航标点在机器人坐标系中的映射方法
• 3.3.3 自主作业研抛机器人速度的计算
• 3.4 本章小结
• 第4章 基于罗伯森-维滕堡方法对微小研抛机器人的动力学研究
• 4.1 微小研抛机器人的非完整约束运动学分析
• 4.2 利用R/W法对微小研抛机器人动力学模型的研究
• 4.2.1 微小研抛机器人多刚体系统分析
• 4.2.2 多刚体系统动力传递的虚拟力元算法
• 4.3 作用于内接滑移铰刚体力元的运动学分析
• 4.4 R/W法基本动力学方程的广义力的计算
• 4.5 自主作业研抛机器人运动仿真实验
• 4.6 本章小结
• 第5章 微小研抛机器人自主作业实验研究
• 5.1 研抛机器人自主作业轨迹跟踪和研抛实验方法
• 5.2 实验平台
• 5.3 自主作业微小研抛机器人轨迹跟踪的实验
• 5.3.1 轨迹跟踪和运动实验
• 5.4 微小研抛机器人加工作业实验研究
• 5.4.1 研抛加工作业轨迹规划
• 5.4.2 研抛加工轨迹跟踪实验
• 5.4.3 研抛加工工艺试验
• 5.5 本章小结
• 第6章 结论
• 参考文献
• 作者在攻读博士学位期间发表的主要论文和参与的科研项目
• 致谢
• 摘要
• ABSTRACT