机器人力控抛磨执行器的研究与开发

发布时间：2020-09-21 08:58

　　 目前,对于铝件和钢件等金属材料的抛磨,其加工方式依然广泛的采用人工作业。工人主要依靠经验进行生产,致使抛磨质量和加工稳定性较差。机器人力控抛磨为解决这一问题提供了新的途径。力控执行器不仅可以解决抛磨中的力位耦合问题,而且能够调控抛磨中的多种工艺参数。在机器人抛磨中,对抛磨工艺影响较大的几个参数是转速、进给速度和抛磨力。根据抛磨过程中的参数特点,本文对机器人抛磨中的力控执行器及其控制系统进行了设计、分析和初步实验研究。根据抛磨工艺要求,本文提出了机器人力控抛磨末端执行器的设计目标。为了满足设计目标,在设计过程中采用增大响应带宽和减小倾覆力矩原理。依据力控抛磨执行器的设计原理,采用公理化设计方法将执行器器的设计分为功能、行为和结构三个层次的设计。然后,基于虚拟设计技术,进行了机器人力控抛磨执行器的结构设计。最后,通过有限元分析验证了力控执行器设计的可靠性。为了设计机器人力控抛磨执行器的控制系统,根据伺服控制的基本原理构建了力控系统的基本框架。采用电机和驱动功率匹配、放大电路和通讯等技术,控制系统硬件结构得以设计和实现。基于MATLAB软件平台,设计了控制软件的变量,并确定了控制软件的主程序。本文对机器人力控抛磨执行器机电系统进行了建模,并对机电系统的频域、时域以及稳定性进行了分析。基于低通滤波、音圈电机和数字PID等原理,依据控制系统电子电路的信号关系建立了执行器主动力控制算法。为了验证算法的可行性,采用SIMULINK工具包对主动力控制算法进行了工艺、环境和控制器三个方面的仿真和分析。为了验证机器人力控抛磨执行器在实际抛磨作业中的抛磨效果,首先进行了执行器样机的研制并搭建了实验平台。采用实验方法对力传感器的零点漂移和比例漂移进行了标定。在此基础上测试了执行器的力控性能,最后对工艺参数进行规划并进行了抛磨实验。
【学位单位】：广东工业大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2019
【中图分类】：TP249;TG580.6
【部分图文】：

为一种常用的表面处理方法，在零部件精整加工或产着科学技术的进步，特别是工业机器人技术的日益发展，C 以及 YASUKAWA 四大家族为首的国外机器人公司，表的国内新兴机器人企业，均开展了机器人抛磨代替传汽车零部件、工业零件、医疗器械以及民用产品等传统(a) 新松机器人抛磨作业 (b) 配天机器人抛磨作业

目前在 3C 外壳抛磨中得以运用。如图 1-1（d）所示，武汉的库柏特科技有限磨轨迹、抛磨接触力的精密微调、抛磨工艺离线编程模块、系统集成、机器磨系统等方面有不同称度的研究与应用。除此之外我国还有埃夫特智能装备公司、上海新时达电器有限公司等在机器人抛磨领域有较多的研究与应用。综上所述，国内外不少的公司企业对机器人抛磨都已经展开了一定的研究。磨作业中，工件体积大小不均、品类繁多环境复杂，且工作环境非结构化等传统的工业机器人无法在现有的工作空间范围内采用诸如示教或者离线编程法。因此，抛磨等表面处理仍然依赖大量的人工作业，导致了一系列问题，时、高成本、抛磨工件表面一致性差以及抛磨质量难以保证等问题。除此之直接与抛磨设备接触，现场环境非常恶劣，充斥着高噪音、大量粉尘与火花素，如图 1-2 所示。长期进行抛磨作业，极易让工人患上如噪声聋、矽肺等或者致伤致残，甚至存在粉尘爆炸这种严重安全隐患。人工抛磨的主要问题

如图1-3(b)所示，其特征在于可以实现旋转和调节气压来控制接触力的大小，在控制上采用神经网络模型控制抛磨力。这种气囊式抛磨末端优点在于轻巧，缺点是气压控制不够精准，高速抛磨会造成气体温度的变化[8]。2006 年瑞尔森大学 Avery Roswell 等人提出了恒定的抛光力的输出并不能保证抛光的接触力恒定，基于抛磨末端，作者研究了抛磨中的接触力模型及其分析[9]。LiangLiao 等人设计了一种抛磨末端如图 1-3(c)所示，由气动马达提供旋转运动、气缸提供抛磨力的输出，采用 PID 算法实现恒力跟踪[10]。2016 年南洋理工大学设计的抛磨末端，如图 1-3(d)所示，这种设计可以实现旋转速度、前进速度、抛磨力的控制。通过实物图片可以看出该设计的结构尺寸大、抛磨末端质量较大，机器人的末端关节距离工作面的距离较大，在一定的抛磨力下，抛磨末端前进的过程中产生的偏心力矩大容易造成磨不平[11-13]。2016 年常州大学朱伟等人设计了一种抛磨末端是采用万向节将电机的转速和转矩传递给抛磨头，如图 1-3(e)所示，这种类似于仿腕关节设计可以适应不同的弧面的工件，但是也正是这个原因导致了它不能够满足高速的要求，另外一个方面就是该抛磨末端没有力控的功能，需要依赖机器人的位置控制实现力量的调节[14]。2017 年北京工业大学 Ri Pan 等人基于气囊抛光末端研究了切削旋转速度对工件和磨料之间的摩擦力的影响、压力梯度与工件法向力的关系。如图 1-3(f)所示

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本文编号：2823314