立体石雕机器人系统刚度对加工误差的理论及实验分析
发布时间：2020-12-20 06:26
在石材产业中,石雕是雕刻艺术在石材制品上的完美应用,记录了从古至今世界文明的发展进程,是人类文化及艺术传承的主要载体,具有很高的艺术价值和文化价值。立体石雕更是以其整体形状与轮廓构造复杂、曲面繁多且尺寸大等特点,成为最能体现集审美观念、艺术思维和技术难度的石雕制品。使用工业六轴机器人实现石材立体雕刻加工,可以大大节省人力,提升加工效率,减少传统石材雕刻中粉尘对人体健康带来的危害。与传统石雕数控机床相比,机器人石雕在加工范围和灵活性上具有无可比拟的优势。正因如此,机器人石雕成为传统石雕行业转型升级的重要发展方向。但是串联机器人弱刚度导致的加工过程中加工误差累积,加工精度变差,末端刀具变形,严重时会导致刀具断裂损坏。本文针对机器人石材雕刻的粗加工过程,分析机器人刚度不足导致的加工误差产生原因,并对其补偿进行了研究。主要研究工作及重要结论如下:1、本文以KUKA KR240-2900型号机器人为研究对象,运用改进D-H参数法构建了此机器人的连杆坐标系,通过位姿转换方程建立了机器人的运动学模型,对机器人末端位置和空间姿态进行了正、逆运动学求解,并用微分变换法计算解得机器人的雅克比矩阵。2、建立...
【文章来源】：华侨大学福建省
【文章页数】：82 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
加工误差对刀具的损坏
51.4机器人加工误差补偿的国内外研究现状机器人铣削加工中的刀具轨迹补偿（加工误差）是近十年来一个非常活跃的研究领域。在文献中，机器人的末端变形误差主要来源被确定为各个连杆接头处的齿轮和轴承误差[22,26,27]，图1.3为机器人加工所有误差来源，主要分为编程误差、加工误差和测量误差三大类。其中加工误差又分为常值误差和变值误差，常值误差中的加工原理误差、加工台的制造误差和机床夹具的磨损误差属于系统误差，比较容易进行测量和补偿,变值误差的产生是一动态过程，而且属于非线性的，用传统的方法很难预测和补偿。而刀具变形误差可以通过建立刀具受力变形误差模型进行误差的预测和补偿，以提高被加工表面的尺寸精度[曹清源]。针对机器人加工误差的补偿目前主要分为在线补偿和离线补偿两大类方法。图1.3机器人加工误差来源1.4.1机器人加工误差在线加工误差补偿在线补偿的基本方法是利用传感器反馈来直接测量机器人末端执行器的位置或间接估计加工误差，并使用适当的控制算法进行实时补偿。早期旨在实现在强力加工任务（例如，需要力控制的磨削或去毛刺加工）中对工业机器人进行基于传感器反馈的控制，早期的努力表明，机器人运动控制环的带宽存在明显限制。为了解决这个问题，瑞典隆德大学的研究人员开发了ABBS4CPlus控制系统的硬件和软件扩展，以实现外部传感器和基于实时传感器数据的控制算
8图1.3论文整体框架第1章为绪论，阐述了论文研究的背景和意义，介绍了工业机器人在制造业领域尤其是在立体石材雕刻方面的应用，相比传统石材数控加工设备，串联机器人的刚度不足导致了加工误差的产生。所以又针对串联机器人加工系统结构弱刚性问题详细论述了国内外学者有关机器人刚度的研究现状，并且针对加工误差的补偿从在线加工误差补偿和离线加工误差补偿两方面分别进行讨论。第2章介绍了基于KR240-R2900型号工业机器人的立体石雕机器人加工系统的组成结构和各个部件的功能，同时运用激光跟踪仪对立体石雕机器人加工系统进行精度检测，构建系统完整的坐标系体系转换推导模型，并利用改进D-H方法建立了立体石雕机器人加工系统的运动学方程，求解出正逆运动学方程和雅克比矩阵。第3章为立体石雕机器人机器人刚度模型分析，首先建立了机器人静刚度模型，关节刚度作为刚度模型中的必要参数需要通过实验辨识得到。所以设计了关节刚度辨识实验，选择多组不同的立体石雕机器人空间姿态，通过变换姿态及改变加工工具末端的拉力，借助API激光跟踪仪及滑轮拉力加载装置等实验设备进行了多组关节刚度辨识实验，最终计算拟合获得关节刚度数值。最后，进行了三组验证实验，将关节刚度计算得到的理论变形值和实测进行比较，验证该关节刚度数值能否进行后续分析研究。第4章结合传统加工误差理论模型，建立立体石雕机器人铣削力模型和加工误差模型，结合机器人空间位置笛卡尔刚度不同，对不同加工位置的末端变形进行仿真计算，最后通过实验进行验证加工误差模型的准确性。
【参考文献】：
期刊论文
[1]薄壁件加工误差补偿建模与学习控制方法[J]. 侯尧华,张定华,张莹. 机械工程学报. 2018(17)
[2]2016年中国石材进出口主要数据及解析[J]. 侯建华,周克继. 石材. 2017(05)
[3]CAD/CAM/Robotic集成技术及其在石材产品加工中的应用[J]. 夏方方,王爱民,席文明. 装备制造技术. 2015(04)
[4]基于MATLAB的IRB2400工业机器人运动学分析[J]. 王晓强,王帅军,刘建亭. 机床与液压. 2014(03)
[5]4自由度混联机器人静刚度分析[J]. 汪满新,王攀峰,宋轶民,赵学满,黄田. 机械工程学报. 2011(15)
[6]石雕作业农民工听力损害状况及影响因素研究[J]. 张体学,王文军,赵方,林立,张春之,闫永建. 济宁医学院学报. 2011(02)
[7]API高品质激光跟踪仪及其应用[J]. 现代制造. 2008(16)
[8]基于切削力的铣削加工误差数学模型[J]. 郭厚焜,游全根,曹爱文. 机床与液压. 2007(12)
[9]并联机器人曲面汉字雕刻刀路规划算法研究[J]. 陈琦,张世辉,孔令富. 计算机工程与设计. 2007(07)
[10]基于CAE和神经网络的切削参数优化[J]. 张发平,王丽,闫学彬. 机床与液压. 2007(03)
博士论文
[1]基于工业机器人的飞机交点孔精镗加工关键技术研究[D]. 郭英杰.浙江大学 2016
[2]六自由度关节型机器人参数标定方法与实验研究[D]. 张晓平.华中科技大学 2013
[3]基于铣削力建模的复杂曲面加工误差补偿研究[D]. 曹清园.山东大学 2011
硕士论文
[1]机器人铣削加工颤振稳定性分析与实验研究[D]. 李彪.上海大学 2017
[2]工业机器人雕刻加工过程的力控制方法研究[D]. 杨磊.浙江工业大学 2016
[3]制孔机器人在钻削力作用下变形与振动的研究[D]. 沈孝栋.南京航空航天大学 2015
[4]基于D-H参数精确标定的工业机器人关节刚度辨识[D]. 刘本德.天津大学 2014
[5]6R工业机器人刚度建模及其应用研究[D]. 刘文洲.兰州理工大学 2014
[6]机器人加工系统刚度性能优化研究[D]. 侯鹏辉.浙江大学 2013
[7]石材立体工艺制品雕刻机器人加工技术研究[D]. 张善永.山东大学 2012
[8]基于CAD/CAM的工业机器人切削加工离线编程技术研究[D]. 雷晓敏.兰州理工大学 2012
[9]6R型工业机器人关节刚度辨识与实验研究[D]. 陈玉山.华中科技大学 2011
[10]6自由度串联机器人的分析与仿真[D]. 石磊.沈阳航空航天大学 2011
本文编号：2927377
【文章来源】：华侨大学福建省
【文章页数】：82 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
加工误差对刀具的损坏
51.4机器人加工误差补偿的国内外研究现状机器人铣削加工中的刀具轨迹补偿（加工误差）是近十年来一个非常活跃的研究领域。在文献中，机器人的末端变形误差主要来源被确定为各个连杆接头处的齿轮和轴承误差[22,26,27]，图1.3为机器人加工所有误差来源，主要分为编程误差、加工误差和测量误差三大类。其中加工误差又分为常值误差和变值误差，常值误差中的加工原理误差、加工台的制造误差和机床夹具的磨损误差属于系统误差，比较容易进行测量和补偿,变值误差的产生是一动态过程，而且属于非线性的，用传统的方法很难预测和补偿。而刀具变形误差可以通过建立刀具受力变形误差模型进行误差的预测和补偿，以提高被加工表面的尺寸精度[曹清源]。针对机器人加工误差的补偿目前主要分为在线补偿和离线补偿两大类方法。图1.3机器人加工误差来源1.4.1机器人加工误差在线加工误差补偿在线补偿的基本方法是利用传感器反馈来直接测量机器人末端执行器的位置或间接估计加工误差，并使用适当的控制算法进行实时补偿。早期旨在实现在强力加工任务（例如，需要力控制的磨削或去毛刺加工）中对工业机器人进行基于传感器反馈的控制，早期的努力表明，机器人运动控制环的带宽存在明显限制。为了解决这个问题，瑞典隆德大学的研究人员开发了ABBS4CPlus控制系统的硬件和软件扩展，以实现外部传感器和基于实时传感器数据的控制算
8图1.3论文整体框架第1章为绪论，阐述了论文研究的背景和意义，介绍了工业机器人在制造业领域尤其是在立体石材雕刻方面的应用，相比传统石材数控加工设备，串联机器人的刚度不足导致了加工误差的产生。所以又针对串联机器人加工系统结构弱刚性问题详细论述了国内外学者有关机器人刚度的研究现状，并且针对加工误差的补偿从在线加工误差补偿和离线加工误差补偿两方面分别进行讨论。第2章介绍了基于KR240-R2900型号工业机器人的立体石雕机器人加工系统的组成结构和各个部件的功能，同时运用激光跟踪仪对立体石雕机器人加工系统进行精度检测，构建系统完整的坐标系体系转换推导模型，并利用改进D-H方法建立了立体石雕机器人加工系统的运动学方程，求解出正逆运动学方程和雅克比矩阵。第3章为立体石雕机器人机器人刚度模型分析，首先建立了机器人静刚度模型，关节刚度作为刚度模型中的必要参数需要通过实验辨识得到。所以设计了关节刚度辨识实验，选择多组不同的立体石雕机器人空间姿态，通过变换姿态及改变加工工具末端的拉力，借助API激光跟踪仪及滑轮拉力加载装置等实验设备进行了多组关节刚度辨识实验，最终计算拟合获得关节刚度数值。最后，进行了三组验证实验，将关节刚度计算得到的理论变形值和实测进行比较，验证该关节刚度数值能否进行后续分析研究。第4章结合传统加工误差理论模型，建立立体石雕机器人铣削力模型和加工误差模型，结合机器人空间位置笛卡尔刚度不同，对不同加工位置的末端变形进行仿真计算，最后通过实验进行验证加工误差模型的准确性。
【参考文献】：
期刊论文
[1]薄壁件加工误差补偿建模与学习控制方法[J]. 侯尧华,张定华,张莹. 机械工程学报. 2018(17)
[2]2016年中国石材进出口主要数据及解析[J]. 侯建华,周克继. 石材. 2017(05)
[3]CAD/CAM/Robotic集成技术及其在石材产品加工中的应用[J]. 夏方方,王爱民,席文明. 装备制造技术. 2015(04)
[4]基于MATLAB的IRB2400工业机器人运动学分析[J]. 王晓强,王帅军,刘建亭. 机床与液压. 2014(03)
[5]4自由度混联机器人静刚度分析[J]. 汪满新,王攀峰,宋轶民,赵学满,黄田. 机械工程学报. 2011(15)
[6]石雕作业农民工听力损害状况及影响因素研究[J]. 张体学,王文军,赵方,林立,张春之,闫永建. 济宁医学院学报. 2011(02)
[7]API高品质激光跟踪仪及其应用[J]. 现代制造. 2008(16)
[8]基于切削力的铣削加工误差数学模型[J]. 郭厚焜,游全根,曹爱文. 机床与液压. 2007(12)
[9]并联机器人曲面汉字雕刻刀路规划算法研究[J]. 陈琦,张世辉,孔令富. 计算机工程与设计. 2007(07)
[10]基于CAE和神经网络的切削参数优化[J]. 张发平,王丽,闫学彬. 机床与液压. 2007(03)
博士论文
[1]基于工业机器人的飞机交点孔精镗加工关键技术研究[D]. 郭英杰.浙江大学 2016
[2]六自由度关节型机器人参数标定方法与实验研究[D]. 张晓平.华中科技大学 2013
[3]基于铣削力建模的复杂曲面加工误差补偿研究[D]. 曹清园.山东大学 2011
硕士论文
[1]机器人铣削加工颤振稳定性分析与实验研究[D]. 李彪.上海大学 2017
[2]工业机器人雕刻加工过程的力控制方法研究[D]. 杨磊.浙江工业大学 2016
[3]制孔机器人在钻削力作用下变形与振动的研究[D]. 沈孝栋.南京航空航天大学 2015
[4]基于D-H参数精确标定的工业机器人关节刚度辨识[D]. 刘本德.天津大学 2014
[5]6R工业机器人刚度建模及其应用研究[D]. 刘文洲.兰州理工大学 2014
[6]机器人加工系统刚度性能优化研究[D]. 侯鹏辉.浙江大学 2013
[7]石材立体工艺制品雕刻机器人加工技术研究[D]. 张善永.山东大学 2012
[8]基于CAD/CAM的工业机器人切削加工离线编程技术研究[D]. 雷晓敏.兰州理工大学 2012
[9]6R型工业机器人关节刚度辨识与实验研究[D]. 陈玉山.华中科技大学 2011
[10]6自由度串联机器人的分析与仿真[D]. 石磊.沈阳航空航天大学 2011
本文编号：2927377
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