面向规则曲面磨削加工的机器人轨迹优化研究

发布时间：2020-04-25 00:07

【摘要】：曲面磨削作为高精度加工方式之一,对工件的表面加工质量有决定性影响。磨削轨迹步长控制方法是保证高精度高效率加工的有效途径之一,但是步长控制方法中的等弦高误差法并不能保证在弦高允差范围内获得最大加工步长;同时轨迹优化策略忽略了实际加工环境中机器人速度、振动等因素对磨削轨迹光滑性和曲面加工质量产生的影响。针对上述情况,本文以规则曲面(如:平面、圆柱面、环面等)拼接成的组合曲面的加工轨迹为研究对象,改进等弦高误差法,保证每次走刀为最大加工步长,提高算法的效率;并结合实际加工场景中速度、加速度、振动等因素对磨削轨迹光滑性产生的影响,提出优化方案,改善磨削曲面的表面加工质量。主要工作如下:(1)阐述磨削加工方式和磨削参数对磨削表面质量的影响,分析曲面的几何特征,推导曲面齐次表达式,计算曲面曲率并进行凹凸性判断,为磨削轨迹生成算法提供理论支撑。(2)针对等弦高误差法搜寻最大步长加工点存在误判和效率较低的问题,本文基于拟牛顿DFP算法改进了等弦高误差法,结合中点和三点校核法,利用DFP算法的超线性收敛性,快速搜寻弦高允差范围内的最大步长点,减少走刀次数,提升算法的效率。(3)基于DFP算法改进后的等弦高误差法,实现磨削轨迹生成模块。对比分析磨削曲面加工离线仿真实验与实际加工两者的实验结果,证明磨削轨迹生成模块的算法的有效性。(4)针对实际加工环境中磨削轨迹光滑性不足的问题,本文将离线编程软件导出的机器人运动指令程序应用到实际加工场景,采集机器人运动数据,进行速度误差分析、加速度连续性分析和振动分析。基于参数拟合提出机器人姿态速度和直线速度的最优关系式,利用动力学的控制参数方案减小加工中的振动,提高加工轨迹的光滑性。
【图文】：

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图 2.1 JR605 机器人的连杆坐标系图如图 2.2 所示，结合离线编程技术，以机器人系统为核心的机器人磨削系统程具体为：（1）导入待加工零件的数学模型，建立工件坐标系，提取工件型面的尺寸曲率等信息；（2）确定合适的磨削工具，在当前工件坐标系下，选择磨削加工方向和磨刀方式，软件自动规划对应的磨削轨迹；（3）结合曲面最终加工效果，观察磨削轨迹的加工方向侧、切矢和法矢是若存在不合理信息，则重新编辑，直至全部合理，则应用磨削轨迹信息；（4）进行仿真加工，观察机器人在磨削过程中是否存在干涉、关节限位等问在，修改不合理区域的离散点数据，直至加工末端点能正常到达全部加工位得到机器人加工指令程序；（5）将机器人加工指令程序代码应用到实际加工环境完成加工要求；（6）根据实际加工工况修改机器人加工程序；

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12图 2.2 机器人磨削系统工作流程图机器人系统磨削曲面加工的工作流程在三处地方涉及到了轨迹，第一，，针对面信息规划磨削轨迹；这一步应用到了磨削轨迹生成算法，算法的设计对轨效率有直接影响。第二，应用磨削轨迹信息；这一步是在离线编程软件中进工，可以分析磨削轨迹生成模块的有效性。第三，实际加工中依据情况修改码；这一步可以在实际磨削加工场景中分析机器人的速度参量和振动因素，速度关系、减小振动，达到在实际加工中优化轨迹的目的，改善曲面的表面。根据该工作流程图，可以明确从虚拟仿真环境到真实加工环境，对曲面磨优化方向和实施步骤。
【学位授予单位】：华中科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TG580.6;TP242

【参考文献】