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5-DOF并联机器人抛光加工建模与轨迹规划研究

作　者: 刘志超
导　师: 李兵
学　校: 哈尔滨工业大学
专　业: 机械电子工程
关键词: 羊毛抛光盘结构优化自由曲面轨迹规划避奇异
分类号: TP242
类　型: 硕士论文
年　份: 2010年
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内容摘要

抛光是工件加工最后,也是至关重要的一道工序,它不仅可以增加被抛光表面的光洁度,提高表面质量,而且可以改善局部的应力集中现象。目前抛光主要采用传统的方法手工完成,费时、费力,对工人抛光技术和经验要求高,而且容易出现失误,造成工件报废。5-DOF并联抛光机器人能有效地解决上述手工抛光存在的问题,满足现代工业对高效、高质量加工的需求。与机床执行抛光任务相比,机器人抛光的可操作性更好,能加工表面形式更为复杂的工件；由于自身灵活度大的原因可以实现自由参数曲面的垂直加工。但是由于开发和应用机器人对自由曲面进行自动化抛光的技术十分复杂,包括如何生产出更接近理想模型物理性质的抛光盘、如何控制加工过程中的抛光参数、维持稳定的抛光力、设计高效的抛光轨迹路径、抛光方案的自动化实施以及实现避奇异效果等,所以投入市场的国内外自动化抛光系统很少。本文的研究目的就是针对以羊毛抛光盘为加工工具的5-DOF抛光机器人抛光自由曲面过程中存在的一些难题进行探索研究,主要研究内容包括以下几个方面：充分考虑5-DOF并联机构的特殊性,对机构关键部分进行静力特性分析,得到了机构的静力学平衡方程,求解了机构各驱动杆的驱动力和约束力矩。利用Pro/MECHANICA进行了结构的有限元分析,介绍了抛光机器人关键部件结构优化的整个分析过程,并验证了结构优化的正确性。充分考虑到以羊毛抛光盘为抛光工具的具体情况,提出了抛光加工过程的模型及其限定条件,并以工件坐标系下的自由曲面的数据为输入,计算出了以抛光盘中心点的位姿为输出的数据,实现了抛光盘对自由参数曲面的垂直加工以Hilbert曲线作为基本要素,探讨了一种保证高精度加工的自由参数曲面抛光运动轨迹规划方法并给出了算例的结果；给出了待加工曲面投影为非正方形问题的解决方案；计算抛光轨迹之间间距。在增添运动冗余的基础上进行避奇异分析。本课题的研究对以羊毛抛光盘为抛光工具的并联抛光机器人具有一定的理论价值；对满足现代工业对高效加工与高质量产品的需求具有一定意义。

全文目录

摘要  4-5
Abstract  5-9
第1章绪论  9-16
  1.1 课题背景及研究的目的和意义  9-11
  1.2 国内外相关技术的发展现状  11-14
    1.2.1 国内发展现状  11-12
    1.2.2 国外发展现状  12-14
  1.3 课题来源及主要研究内容  14-16
    1.3.1 课题来源  14
    1.3.2 课题主要研究内容  14-16
第2章抛光机器人静力学分析及结构优化  16-29
  2.1 引言  16
  2.2 机构关键部分的静力特性分析  16-20
    2.2.1 从丝杆末端到动平台的力映射  16-18
    2.2.2 从电机到丝杆末端的力映射  18-20
  2.3 机构支架部分的静刚度分析以及结构优化  20-28
    2.3.1 Pro/MECHANICA模块简介  20
    2.3.2 结构方案的优化  20-22
    2.3.3 模型的灵敏度分析  22-26
    2.3.4 优化设计分析  26-28
  2.4 本章小结  28-29
第3章抛光加工模型的建立  29-42
  3.1 引言  29-30
  3.2 抛光过程必须遵循的条件  30-33
    3.2.1 构建模型的假设  30
    3.2.2 去除函数的特性  30-31
    3.2.3 倾角的选取  31-32
    3.2.4 抛光过程中行进方向的问题  32-33
    3.2.5 投影效应  33
  3.3 抛光盘位姿数据的获取  33-41
    3.3.1 抛光盘从接触到弯折中心点下降高度的算法  33-34
    3.3.2 羊毛抛光盘中心的位置计算  34-35
    3.3.3 羊毛抛光盘中心的姿态角的计算  35-41
  3.4 本章小结  41-42
第4章工件坐标系下自由参数曲面抛光运动轨迹规划  42-52
  4.1 引言  42-43
  4.2 自由参数曲面抛光运动轨迹规划整体方案  43-47
    4.2.1 传统抛光路径选择  43-46
    4.2.2 待加工曲面投影为非正方形问题的解决方案  46-47
  4.3 抛光接触点数据的生成  47-51
    4.3.1 抛光量与抛光盘形状等因素的关系  47-49
    4.3.2 抛光轨迹之间间距的选取  49-51
  4.4 本章小结  51-52
第5章避奇异分析  52-63
  5.1 引言  52
  5.2 奇异性分析  52-59
    5.2.1 全局坐标系下动平台原点位置数据的求解  53-54
    5.2.2 全局坐标系下抛光盘姿态数据的求解  54-55
    5.2.3 动平台坐标系到全局坐标系的变换  55-58
    5.2.4 雅克比矩阵与奇异点的求解  58-59
  5.3 避奇异方法  59-61
  5.4 仿真结果及其分析  61
  5.5 本章小结  61-63
结论  63-64
参考文献  64-68
致谢  68

5-DOF并联机器人抛光加工建模与轨迹规划研究

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