基于阻抗控制的弱刚性构件双机器人协同磨抛技术研究

发布时间：2020-08-04 16:21

【摘要】：近年来现代制造业在自动化、智能化方向取得了长足的进步,工业机器人在加工生产中也扮演着日益重要的角色。对于弱刚性构件,如果采用单侧机器人加工,在加工时由于工件刚性较弱会产生较大的变形,难以保证加工表面质量和精度。双机器人对侧互为支撑加工为弱刚性构件加工提供了新的解决方案。本文基于阻抗控制策略,提出一种针对弱刚性构件磨抛的双机机器人对侧顺应控制策略,利用镜像加工力的相互抵消,减小工件在加工中的受力变形,并通过顺应控制策略解决加工中出现的过磨问题,达到提升表面加工质量、降低次品率的目的。本文主要研究内容如下:首先,对六自由度协作机器人的运动学与动力学建模方法进行研究。针对本文所涉及的UR5机器人,完成正逆运动学建模,并利用微分运动学求解UR5机器人的定位误差补偿模型以及Jacobi矩阵。最后针对空间三自由度机器人模型,完成动力学建模,建立机器人构型与关节力矩间的映射关系。其次,针对加工中存在的过磨与刚性碰撞问题,提出一种基于位置阻抗控制原理的机器人顺应控制策略。对单侧机器人,以关节角速度增量为控制量设计控制器,并且根据外力矩与控制量之间的映射关系提出了线性与非线性两种控制策略。对双机器人加工系统,以两侧机器人的交互力作为力反馈闭环的输入,分别提出线性与非线性控制策略,并且通过仿真验证各控制器的轨迹跟踪与力顺应性能,证明控制策略的有效性。接着,基于机器人的运动学与动力学模型,分别从运动范围与响应速度两个方面对最佳顺应关节进行选取。针对各控制策略中力响应特性的不同,对不同参数下控制器的稳定性进行分析,选取最优的控制器参数,提升了控制系统的鲁棒性。最后,利用双目视觉标定平台完成了两侧机器人的结构参数标定,提升机器人的绝对定位精度。利用双机力控打磨平台,对单侧加工与双机对侧加工分别进行研究。通过分析机器人在加工时末端力与力矩的变化情况,对比各组参数下的表面加工质量,确定两侧机器人刚度非对称时对应的控制器参数为最优的控制器参数,证明了理论分析的结论。
【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】：TP242
【图文】：

工业机器人,机器人,磨抛,航空叶片

2017YFB1301504，2017.12-2019.12。.2 研究背景随着人类社会科技实力的提升，对制造业的智能化、高效化、环保化、经济化提出更高的要求，传统的工业生产模式已经不能满足不断进步的生产力的需要。2013 年，国工业界提出了“工业 4.0”战略，我国也相应的推出了“智能制造 2025”的战略方针，志着传统制造业向智能化、高效化、经济化的转型。而工业机器人作为现代化工业中主要加工载体，将扮演日益重要的角色，代替人力承担越来越多的加工任务[1]。2015 年，我国工业领域拥有机器人的数量已达到 26.29W 台，2018 年上升至 40.15W，在全球工业机器人市场中的占有量已经超过 25%[2]。目前在国内，机器人已经在磨钻孔、仓储物流、汽车制造、焊接喷涂等高端工业领域扮演着重要的角色[3]。对于磨抛加工，目前固定安装模式下的工业机器人已经在国内外工业环境磨抛加工得到了广泛地使用，机器人四大家族（KUKA、FANUC、ABB）已经将各自的机器人品以及控制系统成功地引入多种复杂表面结构件，如航空叶片、小型模具的打磨加工，降低了人为操作成本并且取得了不错的加工效果（图 1-1，图 1-2）。

航空叶片

风电,加工系统,对侧,叶片

图1-5双机器人风电叶片对侧加工系统图 1-6 丹麦多机器人龙门加工系统因此，本文旨在完成双机器人对弱刚性构件磨抛加工中的阻抗控制，解决以下几个问题：1）弱刚性构件加工时受力变形量较大，理想轨迹难以跟踪；2）对侧双机器人加工交互力过大，导致加工刚度过大，加工质量下降；3）理想轨迹与工件表面不贴合导致的过磨或者欠磨现象。通过解决以上问题，将双机器人加工系统用于薄壁件的加工，可以为磨抛薄壁弱刚性构件提供一种良好的解决方案，提升表面加工质量和加工效率。因此，本课题的研究具有广阔的应用前景。1.4 国内外研究现状1.4.1 双机协作国内外研究现状国外对于双机器人协作技术在制造业中的应用研究开始较早。日本名古屋大学的吉田英博等人于 1995 年利用双臂机器人对薄壁铝板进行加工，研究了加工件在加工中的

【参考文献】