非金属曲面局部研抛修复机器人阻抗控制研究.pdf
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1、第 期 年 月组 合 机 床 与 自 动 化 加 工 技 术 .文章编号:():./.收稿日期:修回日期:基金项目:四川大学宜宾市校市战略合作专项资金项目()四川省重点研发项目()作者简介:史生坤()男硕士研究生研究方向为智能机器人().通信作者:刁燕()女副教授硕士研究方向为工业机器人应用、机器视觉及机械创新设计().非金属曲面局部研抛修复机器人阻抗控制研究史生坤刁 燕杨俊波杨双瑜游代华王 菲(.四川大学机械工程学院成都.四川盛鑫源电器设备制造有限公司自贡)摘要:恒力控制是决定非金属曲面研抛修复质量的关键环节为提高力控的鲁棒性与精确度生成了非金属曲面研抛区域的局部修复路径并结合自适应阻抗控制
2、实现了研抛力的恒定 基于数据采样插补方法采用连续线段拟合曲面工件轮廓获得了修复区域未知曲面的局部加工路径为保证法向研抛力的鲁棒性进行了末端执行器的重力补偿与姿态分析针对研抛过程中力控对象的时变性与非线性建立了接触空间自适应阻抗控制模型 最终以挡风玻璃为研究对象通过数值仿真验证了路径生成方法与机器人阻抗控制模型的有效性与可行性 结果表明机器人研抛法向力波动最大幅度为.达到了较好的力控鲁棒性与精确度关键词:非金属曲面研抛机器人阻抗控制路径生成数值仿真中图分类号:文献标识码:(.):.:引言人工研抛挡风玻璃等非金属曲面工件成本高昂加工质量不稳定且工作强度高 基于力控的机器人研抛更高效、精准能有效保证
3、加工质量尤其在大规模作业中机器人具有低损耗高产出的优点 因此针对挡风玻璃等非金属曲面工件研究机器人研抛策略和柔顺控制方法兼具实际意义与经济价值根据轨迹生成时采用的空间可分为关节空间轨迹生成和笛卡尔空间轨迹生成在对机器人工作末端轨迹有精度要求时采用笛卡尔空间轨迹生成其中()运动轨迹生成也称为连续轨迹控制在起点与目标点外还有若干路径点来约束两点之间的轨迹适用于曲面加工 曲面研抛时自由曲面轮廓找到精准的数学函数拟合较困难在线实时估计环境位置的方法延时大期望轨迹与待加工件表面轮廓偏差大 研抛时要实现研抛力恒定现有的主动柔顺力控基于末端执行器与工件的接触力与期望接触力实时反馈调整的策略机器人末端执行器与
4、待加工工件应该尽量避免产生欠切与过切现象欠切与过切现象会对系统的稳定性和快速性造成较大影响因此机器人末端执行器的路径相较于待加工件表面轮廓的重合度对获得高质量加工表面至关重要 此外在接触作业时机器人与待加工件刚度不可忽视即使很小的位置误差也可能产生较大的接触力误差因此优化现有的主动柔顺控制策略具有重要意义主动力控包括力/位混合控制、阻抗控制、和自适应控制等陈满意等提出了能够适应系统刚度变化的模糊自适应阻抗控制模型将模糊自适应阻抗控制模型力控制最大误差在 以内徐天雄等提出了一种在线调节参考路径自适应控制算法可实现精确力控刘哲等优化了传统阻抗控制模型通过改进遗传算法中计算适应度值实时控制阻抗参数提
5、高了系统响应速度目前曲面研抛研究中仍然存在待加工对象的非线性和时变性等不确定因素且无法避免欠切、过切现象导致研抛力控的稳定性和快速性较差研抛效果不理想 为改进现有研究的不足本文基于数据采样插补算法在自由曲面工件轮廓未知的情况下用连续线段拟合曲面轮廓进行了研抛路径生成研究并对末端进行了重力补偿以加工路径与工件表面轮廓重合度为优化目标以确保研抛系统的稳定性和快速性 建立了基于位置的接触空间阻抗控制模型并分析了接触空间力跟踪时的误差 最终以挡风玻璃为研究对象通过数值仿真验证了路径生成方法与机器人阻抗控制模型的有效性 待加工区域路径生成.挡风玻璃研抛修复工艺分析汽车在复杂的行驶环境中挡风玻璃会留下各种
6、的划痕或裂纹针对可修复的划痕或裂纹直接更换挡风玻璃成本过高普遍方法是对划痕或裂纹的间隙中注入树脂胶并进行研抛 在修复时挡风玻璃不仅要满足耐高速、耐冲击的性能还要保证其良好的光学性能因此在挡风玻璃修复过程中对研抛力稳定性的控制和位置控制有较高的要求 工业机器人挡风玻璃修复工艺流程如图 所示图 工艺流程本文研究的挡风玻璃几何尺寸如图 所示其左上角有明显的损伤加工区域为图中虚线方框内区域图 待加工的汽车挡风玻璃.加工区域局部路径生成曲面研抛时预设路径与工件轮廓表面存在误差易出现欠切或者过切现象如图 所示 这些现象影响研抛时阻抗控制的稳定性和快速性故工件表面加工质量和路径生成的精度密切相关 本文以研抛
7、路径与工件轮廓重合度为主要优化目标设计出一种在曲图 欠切与过切现象面轮廓未知的条件下机器人末端执行器通过等间距采样点获得满足精度要求并契合阻抗控制力控的笛卡尔空间路径生成的方法.等间距采样法将曲线在 轴上的投影等分成 个区间第 个区间用参数区间表示采样点相对于基坐标系的坐标为()基于复化求积公式逼近拟合的思想可用复化梯形公式和复化 公式来量化研抛路径与工件轮廓等效重合度 如图 所示 记期望等效重合度为各参数区间对应的重合度为 已知复化梯形公式 阶收敛代数精度是 复化 图 等间距采样原理示意图 公式 阶收敛代数精度是 可以用低精度积分与高精度积分的误差来表述生成路径与曲面轮廓的误差等效重合度关系
8、式为:()()()()()()()()()()等间距采样流程如图 所示图 算法流程图.研抛区域局部路径生成自由曲面路径研究的算法有截平法等残余高度法等对于复杂的自由曲面零件截平面法可以将三维曲面路径简化为二维路径 已知研抛时选用抛光盘直径 为 旋转的抛光盘沿预设路径运动接触区域就会产生材料去除 将若干个平行且相互间距为抛光盘直径 的 平面作为截平面截平面与待组合机床与自动化加工技术 第 期加工区域相交得到 条交线即为待加工区域轮廓如图 所示图 截平面法得到的曲面轮廓曲面轮廓在 轴投影后将投影等分成 个区间 个区间对应 个采样点记 个区间最小等效重合度为 平均等效重合度为 相邻采样点对应 轴坐标
9、的间隔为 如表 所示区间数 越多平均重合度 越大这与 时复化求积公式收敛一致 综合考虑采样点的间隔 以及采样的便捷性在满足期望重合度的条件下不宜取过大的 等间距采样算法收敛快精度高但是采样点的数量也会成倍增加 选定等图 单个截平面内路径生成效期 望 重 合 度 为根据表 选定区间数 为 采样点数为 单个截平面内采样点和生成的路径如图 所示表 等分区间数 与等效重合度/采样点数/.末端执行器重力补偿与姿态分析在研抛过程中为了使传感器获得准确的接触力需要对末端执行器进行重力补偿且在机器人沿预设路径运动时需要对末端执行器姿态进行约束以保证末端执行器的姿态始终与曲面切平面垂直 进行末端重力补偿与姿态分
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- 关 键 词:
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