机器人加工轨迹高精度控制研究

发布时间：2020-09-02 20:54

　　大型复杂曲面零件在航空航天上的应用非常广泛,其制造精度和加工质量直接影响着航天设备的性能和安全。目前大型复杂曲面零件大多采用多轴数控专机进行加工,主要存在设备昂贵、配置复杂等问题。随着机器人加工技术的不断成熟,机器人加工柔性、配置灵活等优势越来越明显,采用机器人实现大型复杂曲面零件的高效精密加工成为了新的研究热点。但是,机器人存在刚度低、绝对精度差、非线性耦合强等问题,导致机器人的加工精度难以保证。因此,本文针对大型复杂曲面零件机器人加工精度差的问题,开展了机器人加工轨迹高精度控制算法的研究。为了提高大型复杂曲面零件加工绝对跟踪精度,本文采用轮廓误差描述机器人绝对跟踪精度,重点针对机器人关节空间运动控制、任务空间轨迹跟踪、任务空间轮廓控制以及任务空间轮廓误差补偿展开了研究。首先针对机器人关节提出分数阶滑模控制策略,其次基于任务轨迹设计线性模型预测控制器,然后引入轮廓误差设计轮廓控制器,最后研究基于数据驱动的轮廓误差补偿策略,并逐一在实验平台上进行验证。本文主要研究内容及创新性成果如下:1、机器人关节空间运动控制。建立六关节串联机器人的运动学和微分运动学模型,同时辨识机器人的动力学模型参数;为实现各关节高精度的跟踪性能,基于动力学模型依靠分数阶微积分理论和滑模变结构控制理论设计分数阶滑模控制器。在巨轮六关节机器人上对控制器进行验证,结果表明所提方法相较于滑模控制器可有效提升关节跟踪精度至±0.003rad的范围。2、机器人任务空间轨迹跟踪。分析关节空间运动控制的局限:未考虑关节之间的耦合。针对这个问题进行任务空间轨迹控制的研究,基于模型预测控制的原理设计线性化模型预测控制算法。在MATLAB中仿真巨轮六关节串联机器人对控制器进行验证,结果表明所提方法相较于PID控制器,可提升X方向74.82%、Y方向72.58%、Z方向27.78%的跟踪精度。3、机器人任务空间轮廓控制。分析轮廓误差估计分量通过加权求和的方式引入至传统轮廓控制框架进行轮廓控制的过程中存在的两个问题:轮廓误差在加工的整个区域没有规范减小,局部出现不减反增的情况;轮廓误差的减小有限,最高为37.5%。针对这两个问题提出误差向量范数加权求和算法和新的轮廓控制框架。对所提出的控制策略进行对比实验验证,结果表明所提策略相较于传统策略,可在加工的整个区域一致地减小85.4%的位置轮廓误差和88.89%的方向轮廓误差。4、机器人任务空间轮廓误差补偿。分析轮廓控制过程中存在的问题:轮廓误差在线估计或控制器设计复杂。针对这个问题提出基于深度神经网络建立机器人输入输出完整映射的模型,并基于模型修调匹配更优的参考输入。对所提出的补偿策略进行实验验证,结果表明所提策略可有效减小43.84%的位置轮廓误差和52.14%的方向轮廓误差。
【学位单位】：华中科技大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2019
【中图分类】：V26;TP242
【部分图文】：

示意图,零部件,示意图,薄壁结构

能磨抛技术与系统（国家重点研发计划，资助号：2017YFB1301501）。研究背景复杂类零部件如大型航空薄壁结构件和燃气轮机大叶片，如图 1-1 所示。其类大型航空薄壁结构件零件数量占飞机整体钣金零件的 30%左右；而燃气则通常需要透平叶片数百片，叶片制造成本约占整机的 1/4~1/3，如此大量的工业需求驱使大型复杂零件加工的新工艺、新装备成为当今智能制造技术究热点。（a）大型航空薄壁结构件

大叶片,加工方案,燃气轮机

华中科技大学硕士学位论文机磨削的方式进行加工，如图 1-2 所示。人工磨削存在加工表面一致性差等问题，而数控专机磨削则存在设备昂贵的问题。此时，机器人因操作空间大、并行协调加工能力强、加工柔性、配置灵活、融合多传感智能1]，为大型复杂零件的高效精密加工提供了新的思路。所以以机器人为基工技术被定义为是对未来新兴产业发展具有重要意义的高新技术之一[2]务院关于印发“十三五”国家科技规划的通知》中被列为科技创新 2030 项目之一[3]。

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而数控专机磨削则存在设备昂贵的问题。此时，机器人因操作间大、并行协调加工能力强、加工柔性、配置灵活、融合多传感智能]，为大型复杂零件的高效精密加工提供了新的思路。所以以机器人为基技术被定义为是对未来新兴产业发展具有重要意义的高新技术之一[2]院关于印发“十三五”国家科技规划的通知》中被列为科技创新 2030目之一[3]。（a）手工磨削（b）数控专机磨削图 1-2 燃气轮机大叶片加工方案

【参考文献】