（航空宇航制造工程专业论文）模具自由曲面抛光并联机器人设计与仿真.pdf

西北工业大学硕士学位论文 摘要 摘要 本文针对模具自由曲面抛光的要求和特点，通过对并联机器人机构、传统关 节式机器人以及传统数控机床各自结构优缺点的分析对比研究，提出了模具自由 曲面抛光并联机器人的总体设计构想，应用s o li d w o r k s 2 0 0 5 软件完成了其三维 实体建模，并利用机械系统动力学分析软件a d a m s 对该并联机器人机构的运动学 分析、动力学分析等进行了较全面的研究。 论文以开发基于并联机器人机构的模具自由曲面抛光机器人为目标，首先研 究了自由曲面抛光机器人空间轨迹规划方法，分析了模具自由曲面抛光行切法和 环切法这两种轨迹规划方法的原理和它们的三维空间运动组合，在此基础上对模 具自由曲面抛光并联机器人进行了总体机构设计；接着对并联机器人机构进行了 机构分析和运动学分析，建立了并联机器人机构位姿正逆解方程，并给出了显式 解析表达；介绍了并联机器人速度和加速度的求解方法，为控制系统的开发提供 了理论依据。其次，通过a d a m s 的模型输入接口，将模具自由曲丽抛光并联机器 人三维实体模型导入到a d a m s 中，建立了并联机器人动力学模型，并进行了 运动学和动力学仿真，对结果进行了分析。 本文对模联具自由曲面抛光并机器入迸行了初步的研究与探索，为今后进一 步的研究与开发打下了良好的基础。 关键词；自由曲面抛光并联机器人a d a m s 仿真 西北工业大学硕士学位论文 a b s l r a c t a b s t r a c t t h i sp a p e rf i r s t l yc o m p a r e dt h ep a r a l l e lr o b o t ，t r a d i t i o n a li o i n tr o b o ta n dc n c m a c h i n et o o l s ，a n dt h e nj n t r o d u c e dt h ep o l i s h i n gp a r a l l e lr o b o td e s i g no fad i ea n d m o u l df r e e f o r ms u r f a c ea s s o r d i n gt ot h ec h a r a c t e ro ff l e e f o r ms u r f a c ep o l i s h i n g t h e 3 dm o d e lh a sb e e nf i n i s h e db ys o l i d w o r k s2 0 0 5s o f t w a r e ，a n dt h ek i n e m a t i c sa n d d y n a m i c sa n a l y z i n gh a v eb e e nw o r k e do u ti nd e t a i jb ya d a m s b a s e do nt h em o v e m e n ta n dc o n t r o lo ft h ef r e e f o r ms u r f a c ep o l i s h i n gr o b o t t h i s p a p e rp r e s e n t st h ep r i n c i p l eo fb o t h 仃a n s v e r s cm o v e m e n tp r o g r a m m i n gm e t h o da n d l o n g i t u d i n a lm o v e m e n tp r o g r a m m i n gm e t h o d ，t h e nt h ef r a m e w o r ko fp a r a l l e lr o b o t h a sb e e nd e s i g n e d ；s e c o n d l y , t h i sp a p e ri n t r o d u c e dk i n e m a t i c sa n a l y s i so fp a r a l l e l r o b o t t h ef o r w a r da n di n v e r s ee q u a t i o nw a ss e tu p t h i r d l y , s o l u t i o nm e t h o do f v e l o c i t ya n da c c e l e r a t i o nw e r ei n t r o d u c e d ，w h i c hb u i l tt h et h e o r yf o u n d a t i o no ft h e c o n t r o ls y s t e md e v e l o p m e n t f i n a l l y , t h ep a r a l l e lr o b o t3 - dm o d e lw a si m p o r t e dt o a d 枷s a n dt h ed y n a m i c sm o d e lw a ss e tu p ，t h es i m u l a t i o no fk i n e m a t i c sa n d d y n a m a t i c sh a sb e e nf i n i s h e da n dt h er e s u l tw a sd i s c u s s e d t h i sp a r ) e ri n t r o d u c e dae f f e c t i v em e t h o do fd i ea n dm o u l df r e e f o r ms u r f a c e p o l i s h i n gt h r o u g hap a r a l l e lr o b o t ，a n dt h er e s u l t b u i l t as o l i df o u n d a t i o nf o ft h e f u r t h e rd e v e l o p m e n t k e yw o r d s ：f r e e - f o r ms u r f a c e ；p o l i s h i n g ；p a r a l l e lr o b o t ；a d a m s ；s i m u l a t i o n i i 西北1 = 业大学硕士学位论文 第一章绪论 第一章绪论 1 1 本课题的选题背景及理论和实际意义 随着科技的进步和制造业的发展，模具的应用越来越广泛，特别是在航空航 天、汽车制造等高新技术领域，模具的设计和制造水平已成为衡量个国家工业 发展水平的重要标志。，在发达国家，模具产值甚至超过了机床工业。随着用户 需求和市场要求提高，产品也要不断的改进，加工零件的形状由简单向复杂多样 化发展，加工精度的要求也不断提高。模具表面粗糙度对产品和模具本身的质量、 寿命都有相当大的影响。研究表明：模具型腔表面粗糙度提高一级，模具寿命可 提高5 0 “1 。近十几年来，由于计算机技术和现代控制理论等相关技术的迅猛发 展，在模具制造中广泛采用了数控技术，基本实现了模具型腔复杂曲面加工的自 动化，但由于模具型腔的复杂性，大部分模具最后的研抛等光整加工仍依赖于熟 练工人的手工操作，加工效率低，工作单调耗时，加工质量的一致性也难以得到 保证，这种局限性已经成为制约模具型腔等自由曲面高质高效加工的瓶颈。以精 密模具加工为例，自由曲面的手工光整加工工时在同本、美国和德国等发达国家 约占模具加工总工时的3 7 4 2 ”1 ，目前我国自由曲面的精加工仍依靠手工操作。 因此，高质量、高效和低成本的模具加工技术已成为制造业关注的课题，探索自 由曲面精加工自动化问题，是一个具有广泛前景的研究领域。采用自动化研抛技 术对模具制造具有重要意义，它不仅能大幅度提高生产率，保证产品质量，而且 能把工人从繁重的手工劳动中解放出来。 在模具曲面加工过程中，一般都要先经过粗加工，然后再进行研磨、抛光等 精加工工序，才能得到符合要求的模具表面。在模具自动加工方法的开发方面， 国内外主要利用了机器人、加工中心以及其它由计算机控制的自动化设备，其中 数控机床和机器人是模具自动化抛光中常采用的两种设备。 自上世纪8 0 年代以来，国内外研究人员在应用机器人进行模具曲面自动化 抛光领域进行了大量研究工作，并取得了许多研究成果，一些研究成果已进入实 际应用，但这些研究主要是基于串联关节式工业机器人，由于关节式工业机器人 是一种串联式开链机构，虽然其具有末端执行器运动灵活，工作空间大等优良特 性，但由于其存在结构刚度低，精度差，抛光效率低等缺陷，它主要用于对位置 精度要求不高、使用弹性末端执行器模具曲面研磨和抛光加工，因而限制了其在 模具曲面精加工领域的进一步广泛应用；数控机床技术成熟，可以应用许多现有 软件，在曲面抛光中也得到了许多应用，但由于五轴数控机床价格昂贵，抛光效 率也不高o 。因此，研究开发高精度、高速高效和低成本的模具曲面自动抛光加 西北工业大学碗上学位沦文第章绪论 工设备已成为世界各国制造业关注的重要课题。 并联机器人由于其独特的结构特点，具有以下优点，正好克服了串联机器人 的缺点，可在研制开发模具自由曲面抛光设备中发挥作用。并联机器人与关节式 工业机器人相比有以下特点。1 ： 第，在位置求解上并联机构反解容易正解困难，而串联机器人则是萨解容 易反解困难。 第二，串联式机器人的驱动电机及传动系统大都放在运动着的大小臂上，增 加了系统的惯性恶化了动力性能，而并联式机器人则很容易将电动机置于机座 上，减小了运动负荷。 第三，串联式机器入末端上的误差是各个关节误差的积累和放大，因而误差 大而精度低，并联式机器人则没有那样的积累和放大，误差小而精度高； 第四，并联式机器人刚度大，与串联式机器人相比，在相同的自重或者体积 下有商得多的承载能力。 第五，并联式机器人驱动装置可以安放在或者接近机架的位置，结构更加稳 定。 第六，并联式机器人运动负荷小，动态性能好。串联式机器人也有其自身的 许多优点，比如有很大的工作空间，从以上的分析可以看出，并联式机器人和串 联式机器人的优缺点相互补充，正是由于这种相互补充关系才使得并联机器人扩 大了机器人的应用范围。 并联机器人在工业上的一个突出应用是作为数控加工中心，又被称为并联运 动机床或虚拟轴机床，是机器人技术与机床技术结合的产物。和传统的串联式加 工中心相比，并联运动机床有以下特点。 第一，刚度重量比大：因采用并联闭环静定或非静定杆系结构，且准静态情 况下，传动构件理论上为仅受拉压载荷的二力杆，故传动机构的单位重量具有很 高的承载能力。 第二，响应速度快：运动部件惯性的大幅度降低，有效地改善了伺服控制器 的动态品质，允许动平台获得很高的速度和加速度。 第三，环境适应性强：便于可重组和模块化设计，且可构成形式多样的布局 和自由度组合。 第四，技术附加值高：并联机床具有“硬件”简单和“软件”复杂的特点， 是一种技术附加值很高的机电一体化产品。 目前，虽然许多研究机构对并联机器人( 虚拟轴机床) 技术进行了大量研究， 但大多是针对单纯并联机构虚拟轴机床切削加工的研究，对模具自由曲面抛光的 并联机器人的研究还比较少。因此，系统深入地研究用于抛光自由曲面的并联机 器人设计理论和关键技术，对设计出适合自由曲面抛光的并联机器人具有现实意 西北_ 业丈学硕士学位论文 第一章绪论 义。 虽然并联机构相对串联机构而言有许多优点，但也存在着工作空间机床体 积比小、运动控制复杂和实用刚度不够好等缺点。为了解决模具自由曲面高速高 效、高精度自动抛光这一难题，我们涉取串、并联机构各自的优点，本文提出采 用传统机床移动工作台与并联机器人机构相结合的方法开发模具自由曲面抛光 并联机器人系统，实现模具自由曲面的抛光精加工。 1 2 国内外研究现状 1 2 1 基于机器人的模具曲面抛光技术研究 日本、美国、德国、法国等早在8 0 年代就已开始进彳亍模具抛光自动化系统 的研究，并相继推出了模具自动抛光专用加工机床。目前日本在机器人用于模具 自动化加工方面居世界领先地位，美国、西班牙、德国、韩国、新加坡等国家和 我国台湾、香港等国家和地区也在这方面开展了持续的研究。 早期的研究主要集中在模仿手工抛光轨迹，随后又引入了c a d c a m 自动进行 轨迹规划。上世纪8 0 年代日本学者s a i t om i y o s h ij e o n g 在手工抛光的基础上， 展开了机器人抛光工艺的研究，如切削深度、进给量、材料去除率、作用力、抛 光轨迹等对抛光质量的影响。随着传感器技术、微电子技术、智能技术，尤其是 网络技术的迅速发展，机器人抛光系统正向智能化、网络化过渡。如韩国釜山国 立大学开发了基于网络的机器人自动抛光系统，新加坡开发了智能机器人抛光系 统；香港大学对机器人抛光刀具进行了研究，对硬质刀具和软质刀具效率、质量、 工艺进行了对比分析，开发了套机遇自由曲面扫描数据的轨迹规划系统；日本 学者e u n e i d a 和n a g a w a 开发了磁性压力执行器，n a o l ia s a k a w a 等人开发了l 型工具和i 形工具。1 。 国内对此研究相对比较晚，但随着我国制造业的迅速发展，曲面的自动研抛 技术近年来已经成为众多学者研究的热点。上世纪9 0 年代华中科技大学首先以 p u m a - 5 6 2 机器人为平台开发了机器人抛光实验系统，并相继在“模具曲面机器 人智能抛光系统”、“模具曲面抛光工艺知识的获取”以及“模具曲面抛光过程 中表面去除率的试验研究”等方面进行了研究；吉林工业大学进行了机器人超声 弹性研抛研究：北京航空航天大学进行了大型不规则曲面加工机器人系统控制研 究；吉林大学进行了“基于机器人的自由曲面自动研磨设备的设计研究”； 清 华大学进行了模具型面快速抛光技术的研究；同时，广东工业大学、长春大学、 兰州理工大学、山东理工大学等院校分别在“机器人辅助模具抛光”、“机器人研 磨加工系统”、“水轮机修复专用机器人”、“切削加工机器人的研究开发”等方面 进行了研究。 兰旦坚燮兰! 坠壁些垒苎 兰= 童堑垒 1 2 2 并联机器人的研究 g o u g h 在1 9 6 2 年发明了一种基于并联机构的六自由度轮胎检测装置，1 9 6 5 年，s t e a r t 首次对g o u g h 发明的这种机构进行了机构学意义上的研究并将其推 图1 1 典型的6 s p s 并联机构s t e w a r t 平台 广应用为飞行模拟器的运动，产生装置如图1 1 所示这种机构是目前应用最广的 并联机构，也被称为s t e w a r t 机构。1 9 7 8 年，h u n t 首次提出把六自由度并联机 构作为机器人操作器，由此，拉开了并联机器人研究的序幕，但在随后的近l o 年 里并联机器人研究似乎停滞不前。直到8 0 年代末9 0 年代初并联机器人才引起了 人们的广泛注意，成为国际研究的热点“3 。 并联机器人在工业上的一个突出应用是作为数控加工中心，又被称为并联运 动机床或虚拟轴机床，是机器人技术与机床技术结合的产物。和传统的串联式加 工中心相比，并联机床具有结构简单、传动链短、刚度重量比大、环境适应性 强、响应速度快等特点，特别是很容易实现六轴联动，可用来加工复杂的三维曲 面。因此，并联机床又被称为“2 1 世纪的机床”。九十年代初以来，国际学术 界和工程界对并联机床的研究和开发非常重视，投入大量人力物力积极开发，相 继推出多种并联机床产品化样机。 美国g i d d i n g s l e w i s 公司1 9 9 4 年在美国芝加哥i m t s 9 4 博览会上推出的 v a r i a x 虚拟轴机床( 图1 2 ) ，标志着并联机构正式进入机床领域。1 9 9 7 年在德 国汉诺威国际机床博览会( e 1 0 9 7 ) 和1 9 9 9 年巴黎国际机床博览会( e m 0 9 9 ) 上又推 出了多种并联机床机。瑞典n e o sr o b o t i c s 公司生产出t r i c e p t 6 0 0 ( 图1 3 ) 型并 联机床“”。 西北工业大学硕士学位论文 第一章绪论 图1 2v a r i a x 并联机床 图1 3t r i c e p t6 0 0 并联机床 国内第一台并联机床是清华大学和天津大学在1 9 9 7 年合作研制的大型镗床 类并联样机v a m t l y ( 图1 4 ) 。东北大学于1 9 9 8 年研制了五轴联动三杆并联机 床d s x 5 7 0 ( 图1 5 ) ，天津大学和天津第一机床总厂合作于1 9 9 9 年研制了三坐 标并联机床商品化样机l i n a p o d 。 图i ，4v a m t i y 并联机床 图l ，5d s x 6 7 0 并联机床 x n z d 7 5 是清华大学研制的一种新型四轴并联运动机床，该机床主轴最大转速 可达2 4 0 0 0 r m i n ，最大运动加速度可达i o f 【i s 2 ( 图t ，6 ) 。 西北工业大学碗士学位论文第一章绪论 图1 6x n z d 7 5 5 并联机床 1 2 3 少自由度并联机器人机构学研究进展 机器人操作器要实现任意给定的空间运动，其手部至少要具有六个自由度， 目前常用的串联工业机器人和s t e w a r t 并联机器入都具有六个自由度。但是，也 有许多应用场合机器人只需有部分自由度，如二、三、四或五自由度就可以满足 使用要求。这类自由度少于六的机器人被称为“少自由度机器人”。少自由度串 联机器人除了明显的经济性外，它的机构学分析和实际的控制与操纵都较六自由 度串联机器人简单。近年来，并联少自由度机器人已成为机器人学新的的研究热 点，形成了以下三个典型种类。一是以平面三自由度3 3 r ( 即畲有3 个并联分支， 每个分支有3 个转动副) 并联机构( 图1 7 ) 为代表的平面少自由度并联机构，二 是以球面三自由度3 - 3 r 并联机构( 图1 8 ) ) 为代表的球面少自由度并联机构，三是 以空间三维移动枧构( 图l 。9 ) 和3 一r p s ( 即含有3 个并联分支，每个分支有1 个转动 副，1 个移动副和1 个球面剐) 并联平台机构( 图1 1 0 ) 为典型的空间少自由度并联 机构。 a 鹫 盈1 7 平面3 - 3 r 机构 图1 8 球面3 3 r 机构 6 西北工业大学硕士学位论文第一章绪论 图1 9d e l t a 机构图1 1 03 - r p s 平台机构 三自由度并联机床相对于六杆并联机构而言，由于约束运动平台的驱动杆 少，工作空间要大一些，运动耦合相对要弱，控制相对要容易一些，造价相对低。 因此，3 自由度并联机构是并联机构中很有前景的一类。三自由度3 - r p s 平台机 构是引起广泛兴趣一类空间少且由度并联机构，该机构，如图1 1 0 所示，由上下 平台和三个r p s 分支构成。1 9 8 3 年h i n t 首先提出了三自由度的3 一r p s 空间并联机 构。1 9 8 8 年l e e 提出这种三自由度平台机构的机构模型，并讨论了它的位置解和 可能的应用。文中还指出该机构有两个转动自由度和一个移动自由度“1 。 1 3 机器人虚拟样机技术概况 机器人虚拟样机系统将机器人研究与虚拟样机技术相结合，针对于机器人设 计与制造过程中的运动学、动力学分析，轨迹和路径规划，机器人与工作环境的 相互作用等技术内容进行研究与系统开发，在虚拟环境中完成机器人的计、分析 及虚拟生产过程。机器人虚拟样机系统的功能及技术特点，机器人虚拟样机系统 的核心功能是提供用于在计算机上进行机器人设计与开发的虚拟环境，其主要功 能有以下方面： l 、虚拟样机系统的可视化 建立可视环境是虚拟样机系统的基础工作，而c a d 几何建模是核心。机器人 虚拟样机可视化环境具有以下特征： 1 ) 在计算机上实现机器人操作机的可视化环境，操作者可直观、高效地在 此基础上进行机器人的设计与开发，良好的环境可使操作者方便地将自身经验 和知识随时溶入系统。 2 ) 从c a d 模型中提取几何数据，以便在虚拟样机系统的进一步工作过程中， 如运动分析、动力学仿真中加以利用。 3 ) 在虚拟样机开发的不同阶段，机器人c a d 模型在各个阶段也有所不同。在 样机初期的概念性设计阶段，机器人c a d 几何模型般较为粗略，只为满足当前 西- ：i 韭大学硕士学位论文 第一章绪论 设计需要，某些详细的几何结构可不必建模：在详细设计阶段，样机经过反复验 证与完善，系统得到了优化以后的几何数据，可对样机进行详细的几何建模，形 成完整的机器人虚拟样机仿真结果。 2 、机器人工作过程的演示 根据机器人操作机的本体构成，包括各部分的几何结构与参数、关节数量、 类型等因素，通过对运动方程的正向和逆向求解，仿真实现机器人的运动学分析 与干涉检验等。同时在运动学分析过程中还可实现对机器入的运动空间分析，工 作轨迹规划，碰撞等进行仿真分析。 3 、机器人虚拟样机的动力学分析 通过在虚拟样机系统中加入物理信息，如操作枫材料种类、质量、转动惯量、 关节摩擦，接触力等物理因素，进行动力学分析。在动力学分析过程中，可仿真 机器入操作机实际工作情况对虚拟样机旅加载荷，或旌加重力作用，从面分析样 机在各种工况下各部分的受力情况，研究重点环节，从而对系统结构进行优化。 4 机器人控制系统仿真 机器人虚拟样机可提供控制系统仿真环境，对控制系统进行测试，在这一 方面虚拟样机比物理样机具有明显优势，各种控制方法可直接作用于物理样机， 高效省时，无需担心错误的控制方法造成物理样机的损坏。 1 4 本文研究的主要内容 本文主要完成了以下研究内容： 1 、首先对基于机器人模具曲面抛光技术以及并联机器人的国内外研究现状 进行了综述，分析了并联机器人和关节式串联机器人的结构特点，提出了基于并 联机器人模具自由曲面抛光的基本设想。 2 、在研究模具自由曲面抛光时机器人抛光工具运动轨迹的基础上，对模具 自由曲面抛光并联机器人进行总体结构设计。 3 、对模具自由曲面抛光并联机器人进行了机构分析，包括并联机器人机构 的结构分析，自由度分析计算，机构的转动特性，工作空间的影响因素等。 4 、并联机器人机构的运动学研究，包括运动学逆解，运动学正解以及速度、 加速度分析。 5 、应用a d a i d s 软件进行运动学和动力学分析。在运动学仿真过程中可以观看 机器人运动的仿真动画，对系统模型进行干涉检验，得到系统各个部件的位移、 速度、加速度的数据曲线，并对得到的数据曲线进行分析。然后对系统进行动力 学仿真，主要是机械系统的动力学逆问题的求解在给定的轨迹下已知抛光轮的 速度和加速度，可以得到驱动力随时间变化的数据曲线，以及各个运动副的受力 情况。 西北工业大学硕士学位论文 第一章绪论 全文共分七章，具体安排如下： 第一章绪论，概述课题的选题背景及其研究意义，对机器人模具曲面抛光 技术、并联机器人的研究及应用、机器人虚拟样机技术进行了简单介绍。 第二章模具自由曲面抛光轨迹分析。 第三章模具自由曲面抛光并联机器人总体设计及构型分析。 第四章模具自由曲面抛光并联机器人运动学分析。 第五章模具自由曲面抛光并联机器人的运动学仿真。 第六章模具自由曲面抛光并联机器人的动力学仿真。 第七章结论与展望。 9 匿北工业大学硕士学位论文 第二章模具自由曲西机器人抛光运动轨迹分析 第二章模具自由曲面机器人抛光运动轨迹分析 2 1 模具表面特点及其形成过程 模具表面是由多个几何单元构成的三维曲面。最初的模具曲面是由图纸表示 的，这里的图纸是广义的概念，既包括一般的工程图纸，也包含计算机画图文件。 模具的最初加工是依据图纸完成的，当模具最初的加工完成后，就进入试模阶段， 由于设计经验不足及材料回弹等因素的变化，模具要经过修改才能使被加工产品 达到设计的几何精度及表面粗糙度的要求：同时，在生产中也需对模具表面进彳于 维护、修整。因此，在试模及生产维护阶段，模具的表面就脱离了图纸规定的范围， 变成了一比一的实物，无任何图纸表示，此肘原有的工程图纸不再具有跟踪的价 值。模具表面主要由以下几种构形组成：平面、柱面、锥面、球面及不规则曲面。 当柱、锥、球的半径小于5 m 哪时，又称之为倒角。 在模具的制造、试模和整个使用与维护过程中，都要对模具表面进行粗磨、 精磨和抛光加工，只是对于不同类型的模具在各个阶段的抛光要求和抛光工作量 有所差异而已。 在模具制造阶段，模具零件要经过毛坯准备、机械粗加工、热处理、精加工、 粗磨、精磨以及抛光等加工过程，晟后得到符合图纸要求的模具表面。 在试模阶段，对冲模，尤其是象汽车覆盖件冲模等大型成型模具，需调整模 具表面来满足最终的产品要求( 尺寸、几何精度、表面粗糙度) ，这一调整过程要 经过多次反复才能完成，这时的曲面为真正的自由曲面，这过程对于这类模具 显得尤为明显，塑料模具也有类似要求。而对于锻模，因其公差较大对这点要 求不明显。 在模具的使用过程中，由于模具表面产生磨损，需要对模具表面进行维护和 修整才可满足生产要求，同样需要抛光，此阶段的加工方法与试模阶段相同。 由以上分析可知，在模具的整个制造和使用过程中需要进行大量的抛光工 作。据有关专家研究，以汽车覆盖件拉延模为例，锌基合金软模的制造与试模费 用为i ：4 ，即平均制造费用若为6 万美元，试模费则为2 4 万美元。生产模具( 钢模) 的相应之比为1 ：2 ，即平均制造费用若为5 0 万美元，试模费则为1 0 0 万美元。试 模过程中，5 0 以上的费用用于研磨抛光，至于生产过程中模具表面的维护，则8 0 以上用于模具表面的研磨抛光”1 。 2 2 模具表面抛光方法简介 模具表面的研磨抛光包括粗磨、精磨和抛光。般定义也将这三个阶段统称 1 0 西北工业大学硕士学位论文 第二章模具自出捕面机器a 抛光运动轨迹分析 为抛光。目前抛光工艺包括机械抛光、特种抛光、复合抛光三大类，通过不同的 组合，已有多达几十种的抛磨方法。 1 、机械抛光 机械抛光是利用硬磨粒的机械作用对工件表面进行微切削，这是一种最古 老、最简便、目前应用最多的一种工艺。目前已有各种规格化、系列化的工具、 砂纸夹、各式打磨头、打磨工作台等。现在的旋转抛光工具转速可达2 0 0 0 0r r a i n 以上，往复式工具速度达5 0 0 0 次分，行程2 0 啪。机械抛光工艺较成熟，操作简便， 但受工件硬度影响大，需要选取不同粒废磨具分级抛光。 对于机械抛光，它们所处的状态及工作机理是相同的，唯一的区别是磨石粒 度不同而已。租磨使模具表面( 构形) 接近几何形状精度要求，精磨使模具表西( 构 形) 达到几何精度要求，接近表面租糙度要求，而抛光是使模具表面( 构形) 达到表 面租糙度要求。根据磨石的运动方式，抛光可以分为往复式和旋转式。模具采用 哪种研磨抛光方法，主要受模具拓扑结构的影响。 2 、超声机械抛光 超声机械抛光是一种复合抛光，但其本质上仍属机械抛光。通过超声波的引 入，使工具产生振辐为5 2 5 l m , 颓率为2 0 k h z 的振动，但由于超声振幅和功率的 限制，超声机械抛光仅适于窄、深槽、圆角、棱角等局部加工，大面积抛光效率低。 在此基础上发展的电火花超声抛光，可以用廉价的会属工具代替昂贵的会刚石和 立方氮化硼工具抛光高硬度工件，成本得到降低。 3 、电化学抛光 电化学抛光是利用金属阳极电化学溶解的原理对金属表面进行腐蚀抛光，它 具有工具无损耗、不受材料硬度限制、效率高的优点，但对金属成分和组织均匀 性敏感，尤其是对硬质合金等材料的抛光比较困难。 4 、挤压珩磨抛光 挤压珩磨( 磨料流动加工) 利用一种含磨料的半流动状态的粘性磨料介质在 一定压力下强迫在被加工表面上流过，由磨料颗粒的刮削作用去除工件表面微观 不平材料的方法。它可以适应各种复杂表面的抛光稻去毛刺，而且可以加工几乎 所有的金属材料，以及陶瓷、塑料等非金属材料。目前已成功应用于硬质合金拉 丝模、挤压模、拉伸模、粉末冶金模、叶轮、齿轮、燃料旋滚器等的抛光、去毛 刺及去除电火花、激光加工或渗氮处理等产生的变质层。该工艺需要设计专用夹 具，对工件批量有要求，大小也有段制。 5 、磁粒抛光 磁粒抛光由于其独特的优点，近年来得到了极大的重视。它是通过强磁场中 的磨粒与工件产生相对运动而对模具表面进行抛光。 对于本文研究的模具自由曲面抛光并联机器人，就是采用并联机器人的末端 西北工业大学硕士学位论文 第二章摸具自由曲面机器人抛光运动轨迹分析 执行器控制抛光过程中抛光工具相对模具表面的位姿，实现模具自由曲面的无干 涉自动抛光，下面以采用旋转式圆柱砂轮作为抛光工具进行分析讨论。 2 3 模具自由曲面抛光运动轨迹的分析 2 3 ，1 抛光模具自由曲面时抛光工具的运动轨迹 在模具自由曲面的抛光加工中，加工压力和作用角都应是一个恒定值。利用 机器人进行模具自由曲面抛光的最终目的，是为了使机器入终端执行器所夹持的 抛光工具在加工过程中与工件表面的任何微小的区域用同样数目的磨粒、以同样 的速度和作用力，按同样的方位进行擞光的物理作用，从而保证被加工的自由曲 面表面质量的一致性，即保证模具表面具有一致的较高表面光洁度，从而提高模 具的质量和使用寿命，亦即提高加工出来的产品质量，具体对汽车、飞机等大型 覆盖件模具而言，则会提高其表面光洁度，同时会提高其产品合格率，降低生产 成本，提高生产效益。 自由曲面的抛光与数控铣削相比较，既有某些相似之处，也有本质的不同。 在数控铣削加工中，为了减少插补运算的计算量、提高加工效率，对刀具的加工 轨迹进行优化处理，其中最重要的手段是尽量使得加工中的联动轴数目最少。比 如，在常见的三轴联动数控加工中心上进行曲面加工时，经过对加工轨迹的优化 处理，最后总是让数控机床的两个轴联动( 一般都是z 轴和x ，y 轴之一进行组合) ， 也就是通常称作行切法和环切法的两类轨迹优化方法，如图2 1 。 固臼 a ) 行切切削法b ) 环切切削法 图2 1 三维镜自4 加工的轨迹规划方法 图2 1 a 所示的是行切法，通过预选设定的切削用量。先计算零件的行切面。 在行切面上规划刀具轨迹，且只能采用球头刀进行刀位计算及加工：图2 1 b 所示 为环切法，其实质是一种二维半加工，用一组垂直于刀具旋转轴的平面与零件面 和毛坯体求交，将求出的交线构造成封闭的二维轮廓，采用平面型腔的加工方式， 计算出每一层的刀具轨迹，一般采用平头立铣刀进行刀位计算及加工。两种加工 路径的规划相比较，环切切削加工由于采用了平底立铣刀，基本走刀轨迹被限制 在二维平面中，方便了刀具轨迹的优化，空刀现象大大减少，加工程序量也较前 种要少得多。因此，环切法整体加工效果要优于行切法。 受上述方法的启发，采用并联机器人进行的自由曲面自动化抛光系统中，抛 1 2 西北工业大学硕士学位论文 第一二章模具自由酋萄机器人抛光运动软迹分析 光工具与工件表面相互作用的路径也应该作相似的简化：加工工具应当沿着某一 简化了的确定轨迹抛光工件的全部表面。由于机器人运动的灵活性与柔顺性，机 器人可以控制加工工具从任意方位对自由曲面进行抛光加工，而且抛光加工也要 求工具的倾斜角度和柔顺性，因此，抛光工具与工件表面的相对运动和相互作用 都与铣削加工有很大的区别，其中最显著的是加工刀具轴线的方向问题( 如图 2 2 )。 出仑芦 a ) 自由曲面铣削加工b ) 自由曲面抛光精加。r 图2 ，2 自由曲面铣削加工与抛光精加工的工具轴线位姿 球头刀端部轮廓为球面，当球头半径小于曲面曲率半径时，刀具与曲面的接 触方式为点接触，且接触点具有唯一性。因两，当给出被加工面的刀触点( c c 点) 的轨迹后，利用球面的法矢自适应性( 球面上任一点的法矢通过球心) 作一等距 面，便可很容易的计算出球头刀在被加工面上的数控加工轨迹。此外，由于球头 刀端部轮廓为球面，数控加工中的过切干涉检验问题可归结为检验等距面上凹区 域曲率是否大于刀具曲率问题，因而在数学处理上比较简单。然而，尽管球头刀 在数控编程方面具有诸多优点，但却在数控加工中存在着如下不足： ( 1 ) 表面质量差球头刀的切削速度随着刀具与被加工面接触部位的不同而 不同。越接近球头刀的底部，切削速度趋近于零。 2 ) 几何精度低考虑到球头刀在靠近回转轴线处刀刃部的切削速度几乎为 零，故真实刀具的底部通常被加工成一平面。然而。由于数控程加工中所编程序 是按照球面设计的，故当底面参与切削时，将导致被加工面出现几何形状误差。 与球头刀相比，平底刀具备以下几方面的优点： ( 1 ) 加工表面质量好可通过调整刀具轴线与曲面法矢之间的夹角提高对被 加工面的逼近程度，从而明显改善被加工表面质量。 ( 2 ) 切肖q 性能好由于曲面的加工余量在刀具周边以恒定的切削速度被切除， 从雨保证了良好的切削性能。对于并联机器人抛光系统而言，在用加工工具对模 具自由曲面进行抛光时，为了保证加工时恒定的法向作用力，使刀具轴线和刀具 底边与工件接触点处的切平面成一恒定的加工作用角，且为了保证接触点处具有 恒定的切削速度，般采用平底圆柱砂轮进行模具自由曲面打磨和抛光精加工。 在图2 2 中，铣削加工的刀具与工件坐标系的z 轴方向一致，抛光精加工时应 保持工具的轴线与工件切线方向夹角不变，就是说，抛光工具轴线方向和工件坐 标系的z 轴之间的角度是实时变化的， 西北工韭大学硕士学位论文 第二章摸具自由曲面机器人抛光运动轨迹分析 尽管铣削加工和抛光精加工之间存在很大的差别，但行切法和坏切法的空间 轨迹原理适合于包括抛光精加工在内的各种空间轨迹。抛开轴线位姿和接触位置 不提，抛光工具和铣削刀具所走过的加工路径，本质上都是由某种确定的轨迹规 划生成的空间曲线。所以，在抛光精加工过程中，也类似地对加工路径进行规划， 并且不同的轨迹规划方法将会对机器人加工过程提供的进给运动产生不同的 结果。 2 3 ，2 自由曲面抛光加工的环切法孰迹规划 采用图2 1 b 所示的环切法原理，对工件实体在z 方向上进行分层，即可得工 件外表面与分层面相交的空间曲线。如图2 2 a ，在工件坐标系墨z q z l 中，当某 一与x 。k 。i 平面平行的平面a b c d 与工件相交对，就得到如图阴影部分所示的相交 面，该区域的外围边界线即为环切法所得的空删轨迹。但环切法轨迹规划不但需 要规划出加工工具所走过的轨迹，还需要保证工具运动的正确位姿，工具的运动 如图2 2 b 所示。 a m遵j 。辔 a ) i 件横载面位置及方向b ) 抛光 ：具横载面位置及方向 图2 2 自由曲面打磨和抛光精加l ：环切法轨迹规划原理图 在加工过程中，加工工具沿着规划轨迹作直线进给运动的同时，还要因为避 免其自身与工件自由曲面之间的干涉而作适当的位姿变化：图2 2 b 中的只点是加 工工具的底边与平面a b c d 的交点，其中过只点的两条直线所确定的平面应当垂 直x y , d 平面，所以这一点的运动速度及加工工具相对该点的角度变化就是加工 工具所需的进给运动，也就是轨迹上只点沿x 轴和y 轴方向的平面运动( 图中表现 为比和) 和加工工具绕该点的转动( 图中表现为g 角和卢角的变化) 。由于抛光 精加工时工具与工件的相互作用力很小，相当予用人工打磨、抛光精加工模具自 由曲面时操作工人通过打磨和抛光工具施加在工件表面上的作用力大小，所以可 以认为打磨和抛光时由于其作用力导致的加工工具轴线和工件表面的位姿变化 西北工业大学硕士学位论文 第一二章模具自由曲面机器人抛光运动轨迹分析 很小，可以忽略不计。因此，可以认为加工过程中抛光工具是沿着某确定的轨迹 作空间的刚体运动。定义口角为摆角，指加工工具在a b c d 平面的投影与工件坐 标系的x 轴之问的夹角：定义p 角为仰角，指加工工具在a b c d 平面的投影与其自 身轴线之间的夹角。则用环切法规划机器人自动抛光精加工自由曲面时，加工工 具的运动包括平动、摆角转动和仰角转动。 2 3 3 自由曲面抛光加工的行切法轨迹规划 采用图2 1 a 所示的行切法原理，对工件实体在y 方向上分层，即可得工件外 表面与分层面相交的空间曲线。如图2 3 a ，在工件坐标系x i q z 中，当某与 蜀0 。z i 平面平行的平面a b c d 与工件相交肘，就得到如点划线内的部分所示的相 交面，该区域的外围边界即为行切法所得的空间轨迹。 、 、 a ) i 件横截面位置及方向b ) 抛光一【：具横截面位置及方向 图2 3 自由曲面抛光耩加工的行切法轨迹规划原理圈 行切法轨迹规划同样不但需要规划出抛光工具所走过的轨迹，还需要保证工 具运动的正确位姿，工具的运动如图2 3 b 。由图2 3 b 所示，当工件外表面被平行 于彳。0 l z ，的平面a b c d 横截后，抛光工具沿着所得的轨迹运动时，应该保持其轴 线与轨迹曲线约切平面保持一恒定的加工作用角度，以保证抛光时保持恒定的法 向作用力，亦即加工工具的轴线与水平面( 即x 。o l r 平面) 的夹角在工件上某一点 时成一确定的角度。无论工具的方位如何，其运动速度应该始终与平面a b c d 平行。 为简便起见，可以假设加工工具的轴线就在平面a 8 c d 内( 如果该轴线确实与平面 a b c d 存在一个夹角，但因该夹角始终不变。运动分析还是一样的) 。那么。抛光 工具的运动包括只点的沿x 方向和z 方向的平面运动和工具绕该点在同一平面内 的转动。可定义五角为加工作用角，它是抛光工具的轴线与只点的切平面的夹角， 。为只点的切平面与抛光工具轴线在a b c d 平面内的投影线之间的夹角。 西北工业大学硕士学位论文 第二章模具自由曲面机器人抛光运动轨迹分析 2 4 自由曲面抛光中两种轨迹规划方法的对比研究 根据以上分析，在自由曲面的抛光精加工中，由于加工工具位姿的实时变化， 应用环切法轨迹规划方法和行切法轨迹规划方法对空间曲面分割优化时，环切法 轨迹优化使得抛光工具的运动表现为两个直线运动和两个转动的三维空间组合， 也就是抛光工具相对被抛光工件可分别沿x 轴和y 轴进行直线运动和转动，再加上 沿z 轴得分层移动，因而自由曲面抛光并联机器人应至少实现五坐标联动。而行 切法轨迹优化使得抛光工具的运动表现为两个直线运动和一个转动的二维空间 组合，轨迹被限制在二维平面中，再加上沿y 轴得分层移动，抛光工具相对被加 工工件应该能够沿x 轴和z 轴进行直线运动和绕y 轴转动，这对于采用机器人作为 自动化加工的基础设备来说，相对环切法，行切法轨迹优化所要求的运动组合少， 能够方便地回避干涉和避免机构奇异点。从运动组合数量来看，在采用机器人进 行的自由曲面抛光精加工中，行切法轨迹优化整体效果要优于环切法轨迹优化， 但由于模具曲面结构的复杂性以及机器人转角范围的限制，为了保证加工质量， 对于不同形状的模具曲面抛光时应采用不同的抛光轨迹规划方法，甚至同一模具 型面的不同部位，也要采用不同的抛光轨迹规划方法。例如，对于比较平坦的模 具表面，可采用行切法轨迹规划方法，这样机器人米端执行器的转角变化小，抛 光过程比较平稳；对于陡壁曲面或封闭的凹陷曲面，应采用环切轨迹规划方法进 行抛光。 因此，根据以上分析可知，为了实现基于并联机器人的模具自由曲面抛光加 工。并联机器人系统必须满足模具自由曲面抛光轨迹规划所要求的空间运动组 合，即抛光轮相对被抛光模具表面可实现x 、y 、z 三个方向的直线移动以及抛光 轮轴线可绕x 、y 轴转动。 2 5 本章小结 本章首先对模具表面的特点及其形成及演化过程进行了分析，介绍了模具表 面的抛光工艺方法，在此基础上，深入研究了利用机器人进行模具自由曲面抛光 精加工的轨迹规划方法。在自由曲面的抛光精加工中，由于抛光工具位姿的实时 变化，环切法轨迹规划使得抛光工具的运动表现为两个直线运动和两个转动的三 维空间组合；而行切法轨迹规划使得抛光工具的运动表现为两个直线运动和个 转动的二维空间组合，基本走刀轨迹被限制在二维平面中，它所要求的运动组合 最少。但由于模具曲面结构的复杂性，对于不同形状的模具表面可采用不同的抛 光轨迹规划方法。以上研究和分析为下一章进行模具自由曲面自动抛光并联机器 人的总体结构设计奠定必要的理论基础。 1 6 西北工业大学硕士学位论文第三章模具自由曲面抛光并联祝器人的总体漫计及构型分析 第三章模具自由曲面抛光并联机器人的总体设计及构型分析 3 1 空间并联机构理论基础 3 1 1 空间机构的组成元素 机构( m e c h a n i s m ) 是由若干构件和运动副组成的装置；在一定的约束条件和 驱动力作用下，能够实现运动的输入和输出以及运动形式和参数的转换。 空阿机构是由三维空间连杆( 构件) 和运动副组成的。空间连杼是由运动副和 连接运动副的刚性杆件所组成的。空间连杆的运动学功能是在于保持其两端的运 动副轴线具有固定的空间几何关系。 运动链( k i n e m a t i cc h a i n ) 是由运动副连接两个以上构件组成的组件。当两个 空间构件相连接时，需要引入描述两构件相对位置和姿态( 简称位姿) 的参数，即 运动链上任一点的空间位置坐标和角度方向。 串联机构( s e r i e sm e c h a n i s m ) 是一组运动链串联而成。它的特点是第一个运 动链接受驱动器输入，运动一级级传递，最终由运动链n 给出串联机构的输出。 串联机构通常是开环机构，如图3 1 所示p u m a 机器人，运动依次由腰部、臂 部、腕部最终传递到手部。 并联机构( p a r a l l e l m e c h a n i s m ) 是由两个或两个以上的分支机构并联而成。它 的特点是，所有分支机构可同时接受驱动器输入，而最终共同给出输出，并联机 构是多路闭环机构。如图3 2 所示d e l t a 并联机器人，它是由3 个对称运动支链 连接静平台和动平台构成的，每个运动支链由一个摆动控制臂和一个平行四边形 连杆机构组成，动平台上固定有机器人的工作端。 氐辫 图3 1p u m a 机器人示意图 图3 2d e l t a 机器人示意图 l 一机座2 一腰部3 一臂部 4 一豌部5 一手部 1 7 亘韭三! 堕堂堡主兰垡堡苎 笙三兰塑墨! 叟堕堕丝垄茎壁墼堡塑璺堡垦丛墨塑型坌堑 运动副是确定两构件的相互运动关系的可动联接。若空间机构两相邻构件之 间有一个公共轴线s ，从而允许两构件沿轴线s 或绕轴线s 作相对运动，则构成