复杂曲面机器人自动研磨抛光控制的研究

论文摘要

当今社会,制造技术水平的高低已成为衡量一个国家经济发展的重要标志。制造业中曲面的研磨抛光主要以技术工人的手工加工为主,不仅生产效率低,而且加工质量也得不到很好的保证；同时加工现场的噪声、粉尘也会对人体造成伤害。机器人曲面自动研磨抛光系统的实现对提高生产效率、降低劳动强度、保证加工质量具有深远意义。本文以中国科学院沈阳自动化研究所和北京航空材料研究院的合作项目“透明件复杂曲面的自动研磨抛光技术”为背景,对机器人自动研磨抛光控制系统设计与实现进行了研究。本文简述了国内外研磨抛光机器人系统的研究现状,结合自由曲面工件的特点,搭建了以KUKA机器人为主体的加工平台,为整个加工系统提供了硬件基础。通信方案是整个系统的软件核心,其中包括非实时通信和实时通信两部分。实时通信主要包括上位机与力传感器通信和上位机与机器人通信两个部分。非实时通信主要指操作者独立编程部分。介绍了不同软件间常用到的数据交换标准文件IGES,将参数曲面模型通过IGES文件格式传给CAM系统,通过数据获取和数据处理对曲面进行三维重建。根据自由曲面工件特点,对机器人的加工路径进行了规划。通过比较等距截平面、等距参数法等几种传统的方法的基础上,本文最终采用曲面适应度较好的Hilbert路径规划方法。在加工过程中,由于机器人末端研磨抛光工具与工件产生接触,系统采用主被动柔顺控制结构对机器人进行控制。并设计了跟踪稳定快速的内模控制器和滑模控制器,并对两种控制器的跟踪性能进行了深入分析与研究。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 目录
• 第1章 绪论
• 1.1 课题研究背景及意义
• 1.2 课题相关领域的研究
• 1.2.1 国内外研磨抛光加工技术的研究现状
• 1.2.2 机器人在研磨抛光加工中的应用
• 1.3 本文研究内容
• 第2章 研磨抛光机器人硬件平台的研究
• 2.1 机器人简介
• 2.1.1 机器人的定义及特点
• 2.1.2 机器人的构成及分类
• 2.2 研磨抛光机器人系统
• 2.2.1 研磨抛光系统的总体构成
• 2.2.2 KUKA机器人
• 2.2.3 ATI传感器
• 2.2.4 末端执行器
• 2.2.5 附属装置
• 2.3 本章小结
• 第3章 研磨抛光系统的通信方案
• 3.1 研磨抛光系统总体通信方案
• 3.2 上位机与力传感器的通信方案
• 3.3 上位机与机器人的通信方案
• 3.3.1 机器人通信接口
• 3.3.2 RSI及通信方法
• 3.4 系统的软件架构
• 3.5 本章小结
• 第4章 研磨抛光机器人自动生成路径的设计与实现
• 4.1 IGES数据接口
• 4.1.1 IGES标准
• 4.1.2 IGES文件构成
• 4.1.3 IGES文件的数据记录格式
• 4.1.4 NURBS曲面文件的读取
• 4.2 曲面刀具路径规划方法的研究
• 4.2.1 曲面刀具路径生成方法概述
• 4.2.2 空间填充曲线
• 4.3 Hilbert路径规划的算法研究
• 4.3.1 Hilbert曲线生成算法的研究
• 4.3.2 NURBS曲面填充路径的实现
• 4.4 Hilbert路径实现的仿真与实验
• 4.4.1 刀具研磨路径的OpenGL仿真平台
• 4.4.2 机器人指定路径的行走实验
• 4.5 本章小结
• 第5章 曲面研磨抛光控制方案
• 5.1 自由曲面研磨抛光控制概述
• 5.2 自由曲面研磨抛光机器人的主被动结构
• 5.2.1 研磨抛光机器人主被动结构
• 5.2.2 主被动结构中的力分析
• 5.3 机器人主被动柔顺控制策略实现
• 5.4 研磨抛光机器人内模控制器的设计
• 5.4.1 内模控制的基本原理及性质
• 5.4.2 研磨抛光机器人的内模控制
• 5.4.3 内模控制器的设计
• 5.4.4 控制器的仿真实验及分析
• 5.5 研磨抛光机器人滑模控制器的设计
• 5.5.1 滑模变结构控制的基本理论
• 5.5.2 滑动模态及其数学表述
• 5.5.3 滑模变结构的特点
• 5.5.4 滑动控制器设计基本方法
• 5.5.5 研磨抛光机器人滑模控制器的设计与仿真
• 5.6 机器人力控制实验
• 5.7 本章小结
• 第6章 总结和展望
• 6.1 工作总结
• 6.2 展望
• 参考文献
• 致谢