研抛大型自由曲面的微小机器人开发与加工作业研究

论文摘要

高质、高效、低成本的大型模具的生产制造为产业和学术界所关注,而作为其中关键环节的自由曲面的精整加工是其最重要的制造内容。本文在分析大型模具自由曲面研抛加工特点的基础上,首次提出并开发了一种以轮式移动微小机器人研抛大型自由曲面的研抛加工系统。微小机器人可以在大型自由曲面上灵活地移动,依据曲面的几何信息和工艺信息,在行进中进行研抛作业,从而实现了一种以小型设备加工大型自由曲面的新的学术构思和技术解决方案。针对所开发的微小研抛机器人同时具有非完整约束和完整约束的特点,建立了多体系统动力学模型,运动仿真结果表明,机器人具有良好的动态性能。在机器人运动的全局坐标系内建立了其运动学模型,利用机器人在坐标平面内的行走轨迹变化,得到了其运动学正逆关系,运动实验验证了机器人行走运动的准确性和稳定性。研究了机器人的运动轨迹规划问题,提出在微小研抛机器人进行加工时,主要应采用等距法运动轨迹规划方式完成大型自由曲面的加工任务。为实现机器人在曲面上的自动加工,建立了基于PMAC和IPC的双处理器开放式微小研抛机器人运动控制系统。进行了机器人的研抛加工实验,结果表明,工件表面粗糙度Ra值在原始的1.5μm ~ 1.6μm基础上可以达到0.1μm ~ 0.2μm。证实微小研抛机器人能够有效地实现对大型自由曲面的研抛加工,并可达到较理想的加工效果。

论文目录

• 提要
• 第1章 绪论
• 1.1 课题研究的背景与意义
• 1.1.1 课题研究的背景
• 1.1.2 课题研究的意义
• 1.2 机器人研抛技术的研究现状
• 1.3 轮式移动机器人技术的研究进展
• 1.3.1 轮式移动机器人的研究状况[72-98]
• 1.3.2 轮式移动机器人运动学与动力学的研究进展
• 1.3.3 移动机器人的运动控制技术
• 1.4 本文的主要研究内容
• 第2章 微小研抛机器人系统结构与虚拟装配研究
• 2.1 微小研抛机器人的体系结构
• 2.1.1 机器人的技术要求
• 2.1.2 机器人系统结构组成
• 2.2 微小研抛机器人的本体系统
• 2.2.1 机器人的移动方式
• 2.2.2 机器人的轮式行走机构
• 2.2.3 行走运动的驱动装置
• 2.2.4 机器人的本体机构
• 2.3 微小研抛机器人的研抛系统
• 2.3.1 机器人的研抛加工要求
• 2.3.2 机器人的执行机构
• 2.3.3 研抛运动的驱动装置
• 2.4 微小研抛机器人的虚拟装配与检验
• 2.5 本章小结
• 第3章 微小研抛机器人运动学与运动规划研究
• 3.1 微小研抛机器人运动学建模与仿真
• 3.1.1 空间运动坐标系的建立
• 3.1.2 机器人的运动学分析
• 3.1.3 机器人运动学模型
• 3.1.4 机器人运动学的正逆解
• 3.1.5 机器人运动学仿真
• 3.2 微小机器人研抛运动的位姿变换
• 3.3 微小研抛机器人的运动轨迹规划
• 3.3.1 机器人运动空间描述
• 3.3.2 机器人的运动轨迹规划方式
• 3.3.3 等距法运动轨迹规划
• 3.4 本章小结
• 第4章 微小研抛机器人多体系统动力学研究
• 4.1 微小研抛机器人多体系统动力学建模
• 4.2 执行机构的动力学方程
• 4.3 微小研抛机器人动力学的数值计算与动态仿真
• 4.3.1 动力学方程的数值计算及仿真
• 4.3.2 机器人的动态仿真分析
• 4.4 本章小结
• 第5章 微小研抛机器人运动控制系统研究
• 5.1 微小研抛机器人运动控制系统结构
• 5.2 微小研抛机器人伺服系统控制模型
• 5.2.1 伺服系统结构
• 5.2.2 伺服系统控制模型
• 5.2.3 伺服系统动态特性对运动轨迹的影响
• 5.3 微小研抛机器人气动系统建模
• 5.3.1 气动系统工作机理
• 5.3.2 阀－缸工作体的数学模型
• 5.3.3 气动系统控制模型
• 5.4 微小研抛机器人系统软件开发
• 5.4.1 系统软件结构
• 5.4.2 系统软件的工作机理
• 5.4.3 人机交互界面
• 5.5 本章小结
• 第6章 微小研抛机器人运动与加工作业实验研究
• 6.1 微小研抛机器人轨迹运动实验
• 6.2 机器人研抛加工自由曲面实验
• 6.2.1 研抛加工的实验条件
• 6.2.2 研抛加工的实验结果与分析
• 6.3 刚性研抛工具加工实验
• 6.4 本章小结
• 第7章 结论
• 参考文献
• 致谢
• 作者在攻读博士学位期间发表的主要论文和参与的主要科研项目
• 摘要
• ABSTRACT