光学镜面研抛机器人精度设计及运动学参数标定研究
发布时间：2021-04-01 04:50
随着信息时代的到来,现代光学系统正朝着大口径、高精度、高分辨率的方向快速发展,其中光学镜面以优越的光学性能在国家安全和科学发展的战略性重大部署中均占据着重要地位。随着对光学镜面精度的要求日益增长,相关的光学镜面加工装备也在不断更新进步。在并联机构的基础上结合串联机构,使其兼具刚度高、响应速度快、累积误差小以及运动范围大等优点,更加适合用于大型光学镜面的加工。本文以一种三自由度并联机构和二自由度转头组成的混联机构作为光学镜面研抛机器人的主体,考虑到并联机构的运动精度对镜面加工质量有着重要的影响,因此本文研究了机器人并联部分的误差建模、精度设计、运动学参数标定以及针对运动精度等性能的尺度优化等方面的内容,并通过数值仿真和实验验证了所建立模型的准确性和研究方法的有效性。主要研究内容如下:（1）研究了研抛机器人并联部分的误差建模方法并进行了误差分离:首先,利用闭环矢量法对机器人的串并联部分进行运动学建模并对研抛盘位置进行求解;然后,在对并联部分中的球副进行优化的基础上,对机构中各个运动副内的几何误差源进行分析;最后,基于矢量法建立误差映射模型,并且实现模型中可补偿误差源与不可补偿误差源的分离,...
【文章来源】：中国矿业大学江苏省 211工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：134 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
国外光学
1绪论3(c)NanoformX加工机床(d)Freeform700G五轴机床图1-2国外光学镜面加工机床Figure1-2Foreignopticalmirrormachiningequipment国内的众多高校和科研院所也在光学镜面加工机器人方面展开了广泛的研究。图1-3(a)为航空303所研制的Nanosys-300曲面超精密复合加工机床，该机床具有超精密车、铣以及磨削等多种加工功能，可对玻璃、金属等材料进行球面、非球面和超平面等形状的纳米级超精密镜面加工，加工尺寸范围为Φ300×200mm，加工工件的表面粗糙度为Ra10nm[11]。图1-3(b)为长春光机所研制的FSJ-Ⅱ大口径非球面六轴加工机床，其加工口径可达到1200mm，且能够在一次装夹的情况下完成加工[12]。华中科技大学基于Puma-560机器人在智能化抛光系统、抛光轨迹规划、工艺过程建模及仿真等方面展开研究[13]。国防科技大学研制的AOCMT五轴超精密加工机床，该光学非球面复合加工机床集铣磨成型、研磨、抛光于一体，可加工最大口径650mm的光学镜面[14]。新松机器人中央研究院所制造了一种五轴框架式研抛机器人，该研抛系统主要由五轴框架式研抛机器人及控制柜、高精度伺服转动工作台、厚度测量系统等部分组成[15]。(a)Nanosys-300曲面加工机床(b)FSJ-Ⅱ大口径六轴加工机床图1-3国内光学镜面加工机床Figure1-3Domesticopticalmirrormachiningequipment根据上述加工机器人在国内外的研究现状可知，随着对光学镜面的要求日益增长，用于光学镜面加工的机器人也在不断更新进步，但对相关机器人的结构仍需要更加深入的研究。近年来与传统的串联机械臂相比，并联机床以其良好的动态性能、高刚度及累积误差小等优点备受人们的关注，且由于并联机床具有加工
硕士学位论文34误差作为精度分析的评价标准对单一误差源的影响程度进行计算对比。以此为依据将一些对末端位姿误差影响较小的误差源予以忽略，在满足运动精度的前提下将模型进行简化，使后续的优化和补偿效率获得有效提高。在机构设计空间内选择动平台位姿Z=1.33m、ψ0=21.283°、θ0=13.134°作为并联部分的固定位姿，几何误差源中设定位置及杆长误差的最大值为0.02mm、角度误差最大值为0.05°，在此基础上利用Matlab软件进行数值仿真。为避免多项误差源共同作用对末端误差的耦合影响，在对单一误差源的影响程度进行分析时，令其他误差源的数值为0，从而可以更加直观的比较各误差源单独作用所引起的末端位置误差大校UPS驱动支链中各误差源引起的末端误差大小仿真结果如图3-1至图3-5所示。(a)bix对末端位置误差影响(b)biy对末端位置误差影响(c)biz对末端位置误差影响图3-1驱动支链虎克铰链安装位置误差ib作用下末端位置误差值Figure3-1Influenceoftheinstallationpositionerroribofhookhingeondrivingchainonthepositionerrorvalueofthemovingplatform由图3-1可知在驱动支链虎克铰链安装位置误差单独作用下所引起的末端位置误差。如图所示，定平台虎克铰链在三个方向上的分布误差对动平台末端的位置误差具有相似影响规律，均表现为末端误差随铰链分布误差ib的增加而线性增加；在误差源大小相同的情况下，误差biz对末端误差影响程度最大，误差bix其次，误差biy影响较小；由图3-1(a)可知，在误差源bix单独作用下，动平
【参考文献】：
期刊论文
[1]基于非均匀有理B样条插值及等残留高度法的光学自由曲面刀具轨迹规划[J]. 黄鸿辉,丁辉,程凯,赵亮. 机械制造. 2017(09)
[2]新型二自由度并联机构的运动学标定方法[J]. 李寅翔,张伟中,吴伟峰,包建潮. 轻工机械. 2015(04)
[3]主元加权迭代法求解病态线性方程组[J]. 唐丽,李鹏飞. 科学技术与工程. 2012(02)
[4]Separation of Comprehensive Geometrical Errors of a 3-DOF Parallel Manipulator Based on Jacobian Matrix and Its Sensitivity Analysis with Monte-Carlo Method[J]. SUN Tao 1,SONG Yimin 1,LI Yonggang 2,and XU Liang 1 1 School of Mechanical Engineering,Tianjin University,Tianjin 300072,China 2 School of Mechanical Engineering,Tianjin University of Technology and Education,Tianjin 300022,China. Chinese Journal of Mechanical Engineering. 2011(03)
[5]平面柔性3-RRR并联机构自标定方法[J]. 邵珠峰,唐晓强,王立平,黄鹏. 机械工程学报. 2009(03)
[6]一种新型并联机构位姿误差建模及灵敏度分析[J]. 杨强,孙志礼,闫明,周鹏. 中国机械工程. 2008(14)
[7]基于CAM的机器人抛光轨迹规划[J]. 韩光超,孙明,张海鸥,王桂兰. 华中科技大学学报(自然科学版). 2008(05)
[8]混联机床轴线定位精度的干涉测量与误差补偿模型[J]. 张立新,黄玉美,何根良. 仪器仪表学报. 2008(03)
[9]非球面超精密加工机床的发展状况[J]. 王洪祥,宋兴永,张龙江. 机械工程师. 2005(05)
[10]用蒙特卡罗法进行轨迹创成连杆机构的稳健性分析[J]. 孟宪举,张策,詹敏晶,师忠秀. 机械科学与技术. 2004(02)
硕士论文
[1]基于Isight的3-PRS并联机构多目标优化设计[D]. 刘庆阳.河北工程大学 2016
本文编号：3112695
【文章来源】：中国矿业大学江苏省 211工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：134 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
国外光学
1绪论3(c)NanoformX加工机床(d)Freeform700G五轴机床图1-2国外光学镜面加工机床Figure1-2Foreignopticalmirrormachiningequipment国内的众多高校和科研院所也在光学镜面加工机器人方面展开了广泛的研究。图1-3(a)为航空303所研制的Nanosys-300曲面超精密复合加工机床，该机床具有超精密车、铣以及磨削等多种加工功能，可对玻璃、金属等材料进行球面、非球面和超平面等形状的纳米级超精密镜面加工，加工尺寸范围为Φ300×200mm，加工工件的表面粗糙度为Ra10nm[11]。图1-3(b)为长春光机所研制的FSJ-Ⅱ大口径非球面六轴加工机床，其加工口径可达到1200mm，且能够在一次装夹的情况下完成加工[12]。华中科技大学基于Puma-560机器人在智能化抛光系统、抛光轨迹规划、工艺过程建模及仿真等方面展开研究[13]。国防科技大学研制的AOCMT五轴超精密加工机床，该光学非球面复合加工机床集铣磨成型、研磨、抛光于一体，可加工最大口径650mm的光学镜面[14]。新松机器人中央研究院所制造了一种五轴框架式研抛机器人，该研抛系统主要由五轴框架式研抛机器人及控制柜、高精度伺服转动工作台、厚度测量系统等部分组成[15]。(a)Nanosys-300曲面加工机床(b)FSJ-Ⅱ大口径六轴加工机床图1-3国内光学镜面加工机床Figure1-3Domesticopticalmirrormachiningequipment根据上述加工机器人在国内外的研究现状可知，随着对光学镜面的要求日益增长，用于光学镜面加工的机器人也在不断更新进步，但对相关机器人的结构仍需要更加深入的研究。近年来与传统的串联机械臂相比，并联机床以其良好的动态性能、高刚度及累积误差小等优点备受人们的关注，且由于并联机床具有加工
硕士学位论文34误差作为精度分析的评价标准对单一误差源的影响程度进行计算对比。以此为依据将一些对末端位姿误差影响较小的误差源予以忽略，在满足运动精度的前提下将模型进行简化，使后续的优化和补偿效率获得有效提高。在机构设计空间内选择动平台位姿Z=1.33m、ψ0=21.283°、θ0=13.134°作为并联部分的固定位姿，几何误差源中设定位置及杆长误差的最大值为0.02mm、角度误差最大值为0.05°，在此基础上利用Matlab软件进行数值仿真。为避免多项误差源共同作用对末端误差的耦合影响，在对单一误差源的影响程度进行分析时，令其他误差源的数值为0，从而可以更加直观的比较各误差源单独作用所引起的末端位置误差大校UPS驱动支链中各误差源引起的末端误差大小仿真结果如图3-1至图3-5所示。(a)bix对末端位置误差影响(b)biy对末端位置误差影响(c)biz对末端位置误差影响图3-1驱动支链虎克铰链安装位置误差ib作用下末端位置误差值Figure3-1Influenceoftheinstallationpositionerroribofhookhingeondrivingchainonthepositionerrorvalueofthemovingplatform由图3-1可知在驱动支链虎克铰链安装位置误差单独作用下所引起的末端位置误差。如图所示，定平台虎克铰链在三个方向上的分布误差对动平台末端的位置误差具有相似影响规律，均表现为末端误差随铰链分布误差ib的增加而线性增加；在误差源大小相同的情况下，误差biz对末端误差影响程度最大，误差bix其次，误差biy影响较小；由图3-1(a)可知，在误差源bix单独作用下，动平
【参考文献】：
期刊论文
[1]基于非均匀有理B样条插值及等残留高度法的光学自由曲面刀具轨迹规划[J]. 黄鸿辉,丁辉,程凯,赵亮. 机械制造. 2017(09)
[2]新型二自由度并联机构的运动学标定方法[J]. 李寅翔,张伟中,吴伟峰,包建潮. 轻工机械. 2015(04)
[3]主元加权迭代法求解病态线性方程组[J]. 唐丽,李鹏飞. 科学技术与工程. 2012(02)
[4]Separation of Comprehensive Geometrical Errors of a 3-DOF Parallel Manipulator Based on Jacobian Matrix and Its Sensitivity Analysis with Monte-Carlo Method[J]. SUN Tao 1,SONG Yimin 1,LI Yonggang 2,and XU Liang 1 1 School of Mechanical Engineering,Tianjin University,Tianjin 300072,China 2 School of Mechanical Engineering,Tianjin University of Technology and Education,Tianjin 300022,China. Chinese Journal of Mechanical Engineering. 2011(03)
[5]平面柔性3-RRR并联机构自标定方法[J]. 邵珠峰,唐晓强,王立平,黄鹏. 机械工程学报. 2009(03)
[6]一种新型并联机构位姿误差建模及灵敏度分析[J]. 杨强,孙志礼,闫明,周鹏. 中国机械工程. 2008(14)
[7]基于CAM的机器人抛光轨迹规划[J]. 韩光超,孙明,张海鸥,王桂兰. 华中科技大学学报(自然科学版). 2008(05)
[8]混联机床轴线定位精度的干涉测量与误差补偿模型[J]. 张立新,黄玉美,何根良. 仪器仪表学报. 2008(03)
[9]非球面超精密加工机床的发展状况[J]. 王洪祥,宋兴永,张龙江. 机械工程师. 2005(05)
[10]用蒙特卡罗法进行轨迹创成连杆机构的稳健性分析[J]. 孟宪举,张策,詹敏晶,师忠秀. 机械科学与技术. 2004(02)
硕士论文
[1]基于Isight的3-PRS并联机构多目标优化设计[D]. 刘庆阳.河北工程大学 2016
本文编号：3112695
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