（机械电子工程专业论文）串并联动协调研抛控制系统研究.pdf

j 长春理工大学硕士学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的硕士学位论文，串并联动协调研抛控制系统研究 是木人在指导教师的指导下独立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明 引用的内容外本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成 果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本 人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 作者签名：到莹塑壬丝年互月4 r 长春理工大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解“长春理工大学硕士、博士学位论文版 权使用规定”，同意长春理工大学保留并向中国科学信息研究所、中国优秀博硕 士学位论文全文数据库和c n 砌系列数据库及其它国家有关部门或机构送交学 位论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权长春理工大学可以 将本学位论文的全部或部分内容编入有关数掘库进行检索也可采用影印、缩印 或扫描等复制手段保存和汇编学位论文。 作者签名：i ! l 鸶聋2 1 监年三月4 日 导师箍名：! i ! ! 鱼苤。! 兰：，三年兰- 月丛闩 摘要 本文提出一种由串联机器人、并联工作台、研抛i ：具系统等组成的多机器人协调 研抛控制系统推导了m 0 1 d m a n h p 3 串联机器人和n p t 8 0 0 并联工作台的运动学丁f 逆解方程，建立了机器人本体的通信和多机器人之间的阱瓣通信实现了串并联动协 调研抛自由曲面的最优加工参数配置和晟优加工路径规划。 由于该多机器人协调控制系统与传统单一的串联机器人加工相比增加了- 个并联 运动平台，研抛工具能够获得更好的位姿，在十涉处理上办具有更大的灵活性这样 的结构形式不但扩展了机器人的工作空间，同时提商了工作效率和有效地回避干涉。 实验证明利用该系统进行自由曲面研抛加工可获得较理想的加 二效果。 关键词：串联机器人并联工作台自由曲面协调研抛 a b s t r a c t t h i sp a p e rp u t sf o r w a r dt h em u l t i - r o b o ts y s t e mc o n s i s t so fs e r i a l r o b o t ，p a r a l l e l r o b o t g r i n d i n g p e l i s h i n g t o o la n ds oo np o s i t i v e i n v e r s es o l u t i o n so ft h em o t o m a n - h p 3 s e r i a l r o b o ta n dn p t 8 0 0 p a r a l l e l r o b o tw e 陀d e d u c e d t h ec o m m u n i c a t i o no fr o b o t so n t o l o g y a n dt h ec o m m u n i c a t i o nb e t w e e nt h em o t o m a n h p 3s e r i a l r o b o ta n dn p t 8 0 0 p a r a l l e l r o b o tw e r ee s t a b l i s h e d f i n a l l y t h eo p t i m a lc o n f i g u r a t i o no fp r o c e s s i n gp a r a m e t e r s a n d t h e o p t i m a lp l a n n i n go f p r o c e s s i n g t h ep a t h w e r er e a l i z e d b e c a u s eo ft h i sc o o r d i n a t e dc o n t r o ls y s t e mo fm u l t i r o b o tm o r et h a nt h et r a d i t i o n a l s i n g l er o b o tap a r a l l e lr o b o t ，g r i n d e d p o l i s h e dt o o lc a no b t a i nb e t t e rp o s ea n dh a sab e r e r f l e x i b i l i t yi nt h ei n t e r f e r e n c ep r o c e s s i n gi _ h i st y p eo fs t r u c t u r en o to n l ye x p a n d st h ew o r k s p a c eo fr o b o ta l s oi m p r o v e sw o r ke f f i c i e n c y a n dt o e f f e c t i v e l ya v o i d i n t e r f e r e n c e e x p e r i m e n t sp r o v e dt h a tt h ef r e e f o r ms u r f a c ei sg r i n d e d p e l i s h e db yt h i ss y s t e mc a l lg e t i d e a lp r o c e s s i n gr e s u l t s k e y w o r d s ：s e r i a l r o b o tp a r a l l e l r o b o t f r e e - f o r ms u r f a c e c o o r d i n a t i o no f t h ep o l i s h i n g 目录 摘要 a b s t r a c t 目录 第一章绪论 课题研究背撤和意义 2 工业机器人的发展现状 3 多机器人系统 7 4 自由曲面研抛加 的研究现状 9 5 本文主要的研究内容 第二章串并联动自动研抛系统的建立 1 2 21 建立串并联动自动研抛系统的技术方案及系统结构 2 2m o t o m a n - h p 3 串联机器人的基本性能 2 3n p t 8 0 0 并联工作台的基本性能 2 2 4 研抛工具系统1 7 25 本章小结 第三章工业机器人运动学建模 3lm o t o m a n h p 3 串联机嚣人运动学分析 3 2n p t s 0 0 并联工作台的运动学分析 3 3 本章小结2 7 第四章串并联动协调研抛系统的运动控制2 8 4 1 串，并联机器人的通信2 8 42 研抛运动编程控制 ” 43 本章小结 3 5 第五章程序编写与实验验证 3 6 5 】机器人控制的软件系统3 6 5 2 串并联动系统的软件设计 5 3 实验分析 5 4 本章小结 结论 致谢，5 0 参考文献5 1 l 课题研究背景和意义 第一章绪论 机械加工中的曲面分为规则曲面和不规则曲面虽然规则的曲面易于生产加工。 但在实际生产加工中经常遇见的曲面是不规则的即自由曲面在现实生活中犬到航空 航天、造船、汽车、机械制造，小到家电、生活用品等部门中许多零件的外形例如 飞机的螺旋桨、汽车车身的冲压模具、电冰箱等均为自由曲面，制造此类工业产品的 零部件有诸多复杂的工艺，比如，菜些零部件的加工精度非常高，而且其外形相当复 杂。上世纪中叶以来，自由曲面形状的自动化加工技术已经基本实现应用这得益于 汁算机科学、计算机辅助设计、微电于和数控等技术的迅猛发展。然而，目前使用人 工作业的方式精整加工自由曲面的工艺居多i ，使得其表面质量、加工精度和q ：产效 率均非常低下而生产成本则非常高。以精密模具为例，在德国、美国和日本等发达 工业国家自由曲面的手工研抛工时大约为总工时的3 7 4 2 ，在波兰则达到5 0 以 t 1 4 。7 j ，所以制约高质量模具制造技术发展的个重要的因素就是手工精整加工工艺l ”。 日前，实现自由曲面研抛加工系统的自动化业已成为国内外诸多学者重要的研究 课题，加工效率比较低下是自由曲面研抛加工工艺研究的瓶颈这也是此研究课题的 研究重点，截至目前，已有众多学者获得了可喜的研究成果。如今，自由曲面自动化 自动研抛加工工艺如下有四种方案9 j ： ( 1 ) 采用数控或者仿形机床与专用研抛加工装置组合成的自由曲面自动化研抛加工 系统i ( 2 】采用机器人搭载专用研抛加工装簧的自由曲面自动化研抛加工系统； ( 3 ) 采用专用的自由曲面自动化自动研抛加上系统： ( 4 ) 其它自由曲面自动化研抛加工系统： 与其它自由曲面加工设备相比，采用机器人措载专用研抛加工装置的自由曲面自 动化研抛加工系统的优势尤为突出比如，其工作空间灵活程度和自动化程度均较高 能较为理想的实现在自由曲| i 加工中工具缸姿的要求而且对加_ 】：= 系统的投资较低。 而且此加工系统的可编程性使得加工不同曲面时可以采用灵活多变的程序，提高了 加工的灵活性。因此，采用机器人搭载争用研抛加工装簧的自由曲面自动化研抛加工 系统可以取代通过人工作业来实现的研抛加工。在通过人工作业来实现的研抛加工过 程中，操作人员凭借经验来实现自山曲面研抛时的研抛的压力和曲面斜率的变化，并 以此来保证自由曲面研抛的表面质晕。所以，控制自由曲面研抛时的研抛压力和角度 是曲面自由研抛的核心技术。机器人具有与人类手臂相同的自由度，可以较好的模拟 人类手臂的运动采用熟练操作人员的研抛加工动作来对机器人进行示教，可以自由 曲面研抛加工。虽然目前仍然无法f 5 | 证机器人示教动作与熟练操作人员研抛加工动作 的一致性。但是，进一步分析和研究熟练操作人员研抛加工动作并将其精髓示教于 机器人就可以实现时熟练操作人员研抛加工动作的再现，顺利完成自由曲面研抛加 工任务0 0 4 4 i 。 然而，保持稳定的压力、特定的姿态和研抛工具运动轨迹的精确性是影响此系统 避行自由曲面研抛加工的三大重要冈索。盘果保持特定的姿志工作空删的灵活性就 会受到破坏如果增加机器人的：【作空间，又会增加机器人的手臂长度，又会降低机 器人的加工精度及其剐度。因此，单个机器人自由曲面研抛自动加工系统在加工精度、 自身刚度和工作空b j 上存在矛盾。 本文针对自山曲面研抛) j h i 的加工精度、自身刚度和工作空间之间存在的矛盾， 提出一种控制模型，浚模型由研抛】一具和串并联机器人等设备组成的。本课题致力于 克服单一机器人无法完成的复杂任务，解决单个机器人自由曲面研抛自动加工系统在 加工精度、自身刚度和工作空问上存在矛盾，扩大串井联机器人的工作窑问，使得机 器人系统的工作效率得以较大规模的提高。 l2 工业机器人的发展现状 示教型机器人作为第一代工业机器人产品在瞅美等发达翻家普厦之后。第二代 业机器人产品( 感觉型机器人) 已经作为主要安装机型得以广泛应用第三代工业 机器人( 智能型机器人) 正以迅猛的势头飞速发展。国际上具有影响力的、著名的工 业机器人供应商有美国的e m e r s o ni n d u s t r i a la u t o m a t i o n 、a m e r i c a nr o b o t 、a d e p t t e c h n o l o g y 等公司。还有同本w , j 安) l l 、 捌：欧洲系中有德国的c l o o r 、k u k a 、 1 1 崎、松下、o t c 、f a n u ( 、不二越等公 瑞典的a b b 、意大利的c o m a u 及奥地利 的i g m 公司。以上各公司生产的工业机器人功能和性能很接近，平均无故障作业时间 达到5 打小时【1 6 - i s l 。 欧美等发达国家的工业机器人研发水平领先我国二。i - 扛年以上1 1 9 - 2 1 。目前，国内 7 0 0 余家企业拥有3 5 0 0 台左右的工业机器人，大部分为从国外进口的工业机器人，国 产工业机器人仅占总数的五分之一左右。因此，必须重视我国与国外在机器人开发水 平上的差距并加强这方面的技术研究与玎发。对此我国采取了相应的措施在“七五”、 “八五”、“九 ”和“八六三”等国家计划的支持下，我国第一代工业机器人( 示教 型机器人) 的生产设计和实际应用中业已趋于成熟，近几年来我国工_ k 机器人基本上 足按照国际标准和实际应用进行开发设| 十的。在国家的大力支持f 曾经是应用机器人 生产商的众多知名企业，在经过生产调整和技术革新后，逐步发展为机嚣人研发商， 生产发展r 新月异。我国工业机器人经过二十多年的快速发展取得了蜜质性的进步， 这标志着我国工业机器人技术已在产业化的道路上迈_ r _ 了第一步。 虽然工业机器人的种类繁多，但在工程机械等领域中串联机器人应用的最多。一 般情况f 一类工业机器人是由基座、类人手臂、木端执行器组成的，其中基座、手臂、 术端执行器是由关诲以串联方式连接的这就是串联机器人的由来。通常情况下串 联机器人被拙蒙为连杆机构，因为串联机器人是由转动关节或移动关节将刚性连杆以 串联的形式连接而彤成的。串联机器人模拟的是人的手臂，所以串联机器人一般情况 f 只包括移动关节和转动关节。 综上所述，工业机器人中的串联机器人具有如下结构特点i 驯： ( 1 ) 具有类人的结构；是说串联机器人模拟了人类手臂，具有大臂( 包括两个芰悼) 、 小臂( 包括一个关节) 、手腕( 包括三个关节) 。所以串联机器人与人手臂一样共具 肓六个自由度，在工作空间范围内能够到达任意位置。 ( 2 ) 一般情况下商业串联机器人成本低，具有灵活的工作空间。 ( 3 ) 串联机器人本体报重。而它的承载能山却不高，自身重量与所承载的重量的比 为1 0 ：l 。 由上述串联机器人的结构和特点可以看出，六自出度串联机器人比其它类型的机 器人具有工作夺问大、运动灵括多变的优势和特点困此在工业生产线上得到了广泛 的应用。 下面开始介绍国内外具有代表性的各串联机器人，如图1 1 所示为瑞典a b b 公司 具有最大工作范围的i r b 6 6 5 0 s 型机器人 1 3 1 ，最大距离可达39 r a m 。图l2 所示为a b b 公司标准系列i r b 2 4 0 0 机器人是目自f 应用最j 。的机型，其擐大承载为5 k g 1 6 k g ，屉大 工作半径为1 5 5 0 r a m 1 8 1 0 m m 。a b b 公司工业机器人的特点是通用性强、精度高、速 度快、可靠性强、小负载机器人重复定位精度可达0o l m m 、大负载机器人重复定位精 度可达0 l r n m 、关节最大运行速度可达1 5 0 。i s 4 5 0 。s 。 怠1 刚1ii r b6 6 5 0 s蹦12i r b2 4 0 0 同本y a s k a w 公司生产的m o t o m a n 系列焊接机器人处f 世界领先她位其代表 性产品有v a l 4 0 0 、e a i g o o n 等图13 为m o t o m a n 新型“e x p e r ta r c ”系列商性 能弧焊机器人e a l 9 0 0 n ，e a l 9 0 0 n 焊接机器人将送丝管线集成到内部并优化了上 臂的结构，这样便解决了焊丝因机器人的运动而跳线的难题，图】4 为m o t o m a n 新 一代“v e r s a t i l ea r c ”系列7 自由度弧焊机器人v a l 4 0 0 ，它在继承e a l 9 0 0 n 机器 人所有特点的同时创新性地采用了7 轴串联结构形式v a l 4 0 0 机器人增加了1 个自由 度，它具有更加灵活的工作空间。与a b b 公司生产的工业机器人相比，m o t o m a n 系 列机器人定位精度稍差其重复定位精度一般在ol m m 左右【2 4 l 。 目i5r h 6l 蚓16r d 】2 0 综上所述，国外的串联机器人无论是在机械加工领域还是在新型领域中的应用都 趋于成熟，其技术更加完善，出现了许多具有世界领先水平的机器人。随着国外串联 机器人技术的快速发展，串联机器人在工业生产中已经得到广泛应用，例如焊接机器 人、抢险机器人、浇注机器人、管道机器人等等。 随着现在科学技术的发展，我国制造业水平越来越先进。在自动化生产加工中工 业机器人在我国具有报大的发展空b j 。目前，在我国月系和欧系工业机器人市场占有 率最高尤其是工业焊接机器人，各种焊接机器 的结构和性能相差并不大a b b 机 器人采用的是平行四边形结构，所以活动空日j 相对略小，但是霞复定位精度高达 00 2 s m m 是目日重复定位精度最高的焊接机器人。由于y a s k a w 的交流伺服电机具 有国际领先水平所以y a s k a w 机器人的运动速度相对较快，运动范围相对较宽。 l2 2 并联机构的提出及特点 随着串联机器人的出现，并联机器人也就应运而生。对于并联机构最早的研究可 以追溯到十九世纪，1 9 4 9 年g o u g h 制作的轮胎检测装置采用的就是并联机构，空矧并 联机构的鼻祖s t e w a r tf 1 9 6 5 年发表了题为“a p l a t f o r m w i t hs i x d e g r e e so f f r e e d o m ” 的论文m l ，引起了学术界的广泛重视，相应的平台称为s t e w a r t 平台( 如圈17 所示) 。 s t e w a r t 平台机构出六边形的上、下平台及6 根可伸缩支杆构成上下平台与6 根支杆 是通过球铰和虎克铰相连的所以s t e w a r t ，f 台机构为闭环结构。s t e w a r l 机构的六边 上平台是动平台、六边下平台为固定平台，又由于谈机构具有6 个独立伸缩的支杆， 所以上平台具有六个自由度。 j 皇ji7 s t e w a r t 平台机构示意简图 上述的s t e w a r t 平台机构只是并联机器人的雏形真正提出并联机器人这一概念的 人是机构学教授h u n t ，h u n tf1 9 7 8 年提出将s t e w a r t 机构视为并联机器人的构想髓 后，为了在装配生产线中应用s t e w a r t 机构，p h a mdt 和m a c c a l l i o n 首次将谚机构按 操作器设计，从此真l f 意义上的并联机器人诞生丁p h a m d t 和m a c c a l l i o n 推动了并 联机器人的发展史。 如果将并联机构与串联机构进行比较的话，并联机器人有如f 优点【m 2 j ：1 ) 由于 井联机器人是闭环结构，所以其结构比较稳定，刚度也较大：2 ) 承受负载大：3 ) 运 动惯性较小：4 ) 在运动学分析上，串联机器人的位置f 解容易推导，逆解不易推导， 而并联机器人正好相反。从上面的比较可以看出串并联机器人许多方面i f 好相反哒 称为“对偶关系”此种“对偶关系”能够使得串联机器人和并联机器人取长补短使 得串并联机器人均得到广泛的应用。并联机器人自从上世纪8 0 年代以柬就成为机器人 研究领域中的热点，国外诸多科研机构和相关企业均对并联机器人进行了不同程度的 研究国内相关机构也对并联机器人进行了相应的研究并先后研发出多台样机。如 今，国内外井联机器人的应用水平开趋成熟。 六足结构的s l e w a r 平台、d e l t a 并联机器人和三自由度并联( 混联) 机构是并联 机器人机构中的商品化程度较高的三种机型p 3 i 。第一种六足结构的s t e w a r 平台应用很 广泛，僻j 如h e x e l 的a 轴c n c 定位平台( 图l8 所示) 。经由r o b o t o o l 研发项目针 对8 8 家单位的统计表明，7 5 的并联机型足s l e w a r 平台机构或者是基于此机型的。第 二种是d e l t a 并联机器人它可实现三维窄脚的纯平动，例如瑞士d e m a u r r e x 的 d e l t a 机器人( 图1 9 所示) 。第三种是带有导向装置的三自由度并联( 混联) 机构， 例如瑞典s m t t r i c e p t ( f o r m e r n e o s r o b o t i c s ) 的t r i c e 科6 0 0 ( 图l l0 ) 和8 0 5 型( 图i 1 1 ) 并 联机床。 附】8h e x a b o t 井联平台 幽i1 0s m t t f c e p t t r 6 0 0 娃机床酗l 】ls m t t t i c e p t t r 8 0 5 并联机床 目前幽内外主要在运动学建模、动力学分析、机构学分析和控制算法等几个方 面对于并联机器人进行研究，其中，研究运动建模和机构学分析，是关于并联机器人 的位置正逆解问题、奇异解问题等方面机构学分析和运动学分析是并联机器人控制 的基础所以，在并联机器人的研究中机构学分析和运动学分析的地位相当重要。 研究动力学分析和控制算法，首先要对并联机器人进行动力学分析和建模，对各种可 能的控制算法进行研究，控制机器人，以此达到较为理想的控制效果， 近些年来，虽然并联机器人各方面的研究工作取得了相当大的进展但四内外仍 有许多学者仍在继续开展这些方面的研究工作因为在并联机器人领域中尚有大量的 工作有待进一步深入彤j 。例如，对并联机构运动学模型的简化研究、对并联机器人结 构的优化设计研究、并联机器人工作域边界上或内部奇异研究和对小于6 自由度的并 联机构的研究等等。 1 3 多机器人系统 工业机器人技术发展迅猛，在众多领域得到了j j 泛的应用，多机器人系统证逐步 取代单一机器人系统。在极端恶劣和危险的工作环境中，多机器人系统的优势尤为突 出。例如，单一机器人系统在进行海底探索和太空探险时存在者多不足，而多机器人 系统的协调合作可以出色的弥补这些不足。如今，世界范围内掀起了多机器人研发的 热潮。与单一机器人系统相比，多机器人系统的优势极其显著，其具体优势如下【3 5 - 3 6 1 ： ( 1 ) 可以完成单机器人很难完成或者不能完成的工作任务。 ( 2 ) 对于同项任务，采用多机器人设备比采用单一机器人设备更容易、成本更 低。 ( 3 ) 比瞥一机器人具有更高的加： 效率。 ( 4 ) 多机器人系统可以通过建立通信呈现出协作的行为。 ( 5 ) 山于多机器人系统可以具有协作的智能行为当工作条件发生变化时可以重 新组建新的西作关系这提高了机器人系统完成任务的可能性。 ( 6 ) 多机器人系统的研究是基于多学科交融的技术所以它可从不同的领域得到 一些启示。 l3 i 国内外发展概况 二十吐纪七十年代国外计：多机构纷纷对多机器人系统做了大量的研究，例如欧 盟的多机器人研究项目“用于搬运的多自主机器人系统”即m a r t h a ( m u l t i p l e a u t o n o m o u sr o b o t sf o rt r a n s p o r t i n ga n dh a n d l i n ga p p l i c a t i o n ) a 美国的m a r s ( m o b i l e a u t o n o m o u sr o b o ts o f t w a r e ) 也是一项有关多机器人系统的研究是由隶属美国国防部 的d a r p a r 进行的研究。经过二十多年的发展有关多机器人系统技术的研究在理论 和实际应用中取得了突出的进步例如多机器人的实验系统，下面将介绍几个具有代 表性的多机器人的实验系统m i 。 1 、c e b o t ( c e l l u l a r r o b o t i cs y s t e m ) 受生物细胞结构的启发，h 本忡y a 大学的t f u k u d a 教授领导的研究小组开发了 c e b o t 实验系统，该系统为s e l f - r e c o n f i g u r a b l er o b o t i cs y s t e m 即自重构多机器人系 统，此系统将多机器人系统中每个机器人视为一个独立的细胞元这些被视为细胞元 的机器人可以自由移动、自由寻拄和自由组合。细胞元机器人可咀根据任务或环境的 变化自行组织成器官化机器人，多个器官化机器人可以进一步自行组织形成功能更 为复杂的多机器人系统f 如幽1 1 2 ) 。这种把多机器人系统视为细胞结构的实验系统主耍 强调的是重构，而这种重构要求细胞元或器官根据具体的任务和工作环境动态的重构， 因此谈c e b o t 实验系统需要重构学习和自适应的智能组( g r o u p i n t e l l i g e n c e ) 并应具 有分柿式的体系结构。 酗ij 2c e b o t 系统示意目 2 、m r c a s ( m u l t i r o b o tc o o p e r a t i v e a s s e m b l ys y s t e m ) 中科院沈阳自动化所进行了m r c a s 系统实验。m r c a s 即多机器人系统协作装 配系统( m u l t i - r o b o t c o o p e r a t i v e a s s e m b l ys y s t e m ) 。此系统是多机器人协作实验平台， 能够对多机器人系统的协作进行基础性的理论研究，还可以时实验环境和实验方法进 行进一步研究，如图l1 3 所示 l 划【i3 m r c a s 系统体系结杜j 3 、c o l l e c t i v e r o b o t i c s 实验系统 为了使多个机器人联合成整体来解决现宴问题加拿大研发了一种人工模拟昆虫 世界的c o l l e c t i v er b o t i c s 系统。此项研究的重点是使多机器人系统在没有建立显示通 讯的条件下通过分散式控制方法柬达到多机器人脚作的目的这样易于在无通讯系统 的条件下方便的增减机器人的数目。对集体任务机器人的控制体系结构、算法及其传 感信息的分析的研究对此目的实现尤为重要。运行的结果在不存在显式通汛和集中规 划的情况下虽然不是虽优解，但却是可行解，多个机器人协调协作推箱的实验结果证 明了这一理论的正确性。圈1 1 4 是c o l l e c t i v er o b o t i c s 实验系统。 哪! 1 4c o l i c e t i wr o b o l i c s 实验系统 1 32 多机器人系统发展趋势 在对机器人技术进行研究的起始阶段，单一机器人系统的研究主要是在结构学、 运动学和运动控制等疗面的研究研究体系并不完善。随着工业技术特别是机器人技 术的进步，单一机器人系统在可靠性和鲁棒性等方面的发展迅速但是单一机器人系 统在复杂工作环境f 的局限性比较明显，开发更加智能和高效的机器人以及实现多机 器人系统的协调成为了时代所需。机器人学是门交叉性极强的学科诸多学科对机 器人的协调协作影响巨大，因此，合理借鉴这些学科相关理论和解决问题的方法，对 研究多机器人系统的掷调协作大有裨益。借助多学科的理论和方法来研究多机器 系 统的协调协作是多机器人系统研究领域的发展方向p 2 1 。 14 自由曲面研抛加工的研究现状 为了提高研抛加t 的加工质量和教率可以来用新型方法进行研抛还可以采用 自由曲面自动化研抛加工，这是研抛加工技术发展趋势之一，控制理论以及计算及科 学技术的发展推动了自由曲面自动化研抛加工技术的进步白 曲面自动化研抛加工 技术的发展现状如下： ( 1 ) 使用自动化研抛设各对于火尺寸自由曲面进行研抛加工时研抛设备的加 ：范 围会对大尺寸曲面的研抛加工有所限制。罔为必须采用大型研抛设备加工大尺寸自由 曲面，这样一来会使设备成本提高，而且大型研抛设备的加工范围与加工精度、自身 剐度和运动的稳定性与快速性等方面之间存在诸多有待解决的技术难题。所以为了 实现大尺寸自山曲面的研抛加工，必须另辟蹊径。 ( 2 ) 在诸多有关自由曲面自动化研抛加工技术的研究中，多项技术之问融合交差的 研究明显少于单项技术的研究。 ( 3 ) 在对自由曲面自动他研抛加工技术的研究过程中，国内外学者虽然取得了显著 的成就，但此研究现存在诸多未能解决的技术难题。 ( 4 ) 研抛工具的运动轨迹和姿态必须随着被加工曲面轮廓形状的变化而发生合理的 改变，这是由于被加工曲面大多是不规则和外形变化多样性的零部件，而在此情况下 对研抛工具实现运动控制较为困难虽然研抛工具的运动轨迹和姿态可以在数控技术 的控制下随曲面轮廓形状的变化而发生合理的改变但是出于受数控编程的限制，自 由曲面自动化研抛加工对数控系统的利用程度极其有限而且关于自由曲面自动化 研抛加工的专用数控系统的研究又极其稀少，这也是自由曲面自动化研抛加工技术实 现实际应用的巨大瓶颈之一。 f 5 ) 采用工业机器人对自由曲面进行研抛加工。 ( 6 】在开发方面，学术思想还不够解放，目前，国内外研究和应用领域仍然没有对 机器人的串并联结构或传统数控机床的研发思想实现突破还是将机器人或者数控机 床作为专用自动化研抛设各的研发平台。因此，摆脱这种局限性的思想显得尤为重要。 为了满足大尺寸自由曲面精整加工的迫切需要将相关前沿学科与自由曲面自动化研 抛加工技术结合，研发更加先进、更加高效的自由曲而自动化研抛系统将成为研抛设 备发展的趋辨。 15 本文主要的研究内容 本文对串并联动协调研抛控制系统进行了研究，对m o t o m a n h p 3 串联机器人 的位置j 下逆解、n p t 8 0 0 并联工作台的位置正逆解、串并联机器人的通信问题以及曲 面工件自动研抛加1 二等疗面进行了研究。 第一章为绪论部分。首先介绍了本文的研究背景和意义，然后按照“串联机器人 井联机器人多机器人系统”的线索阐述了多机器人系统的应用及其发展现状 最后介绍了自由曲面研抛加工的研究现状。 第一二章为殴备彳卜绍。介绍了串并联动协调研抛系统中的主要设蔷的技术参数和性 能，为实现机器人控制做准备。 第三章为串联机器人与并联工作台的理论研究。根据m o t o m a n h p 3 串联机器 人和n p t 8 0 0 并联工作台的结构特点，推导了m o t o m a n h p 3 串联机器人和n p t 8 0 0 并联工作台的运动学m 逆解方程。 第四章为多机器人系统的协调研究。通过串1 2 建立了m o t o m a n - h p 3 串联机器 人与其控制柜( n x l 0 0 ) 之日j 的通信可以实时的对串联机器人进行控制。虽后利 用s o c k e t 网络编程建立m o t o i v l a n h p 3 串联机器人与n p t 8 0 0 并联工作台之间的通 信。 第血章为串并联动协调研抛自由曲面的实验研究。利用v c + + 6 0 编程对 m o t o m a n - h p 3 串联机器人和n p t 8 0 0 并联【：作台实行协调控制，对曲面工件进行研 抛加工并采用t r 2 2 0 手持式粗糙度仪检测曲面工件的表面租糙度。 第二耄串并联动自动研抛系统的建立 21 建立串并联动自动研抛系统的技术方案及系统结构 | _ | _ i 于采用单个机器人实现自由曲面研抛自动加工，存在着工作空u j 与精度、剐度 的矛盾本文建立了一套出m o t o m a n - h p 3 串联机器人、n p t 8 0 0 并联工作台、计算 机、研磨工具组成的自动研抛系统。政方粜的优点在于，在自山曲面研抛加工的过程 中当串联机器人接预定的轨迹精确运动时，由并联工作台协调运动柬保证串联机器 人特定的研抛姿态和稳定的研抛压力。这样不但解决了工作空剧与精度、刚度之间的 矛盾而且提高了机器人系统的工作效率。 采用上述方案建立的串并联动自动研抛系统如图2l 所示。酸系统由控制部分和执 行部分组成。计算机为该系统的控制部分执行部分由m o t o a m n ，h p 3 串联机器人、 n p t 8 0 0 并联工作台、研抛工具组成，其中m o t o a m n h p 3 串联机器人、n p t 8 0 0 并 联工作台为研抛作业的主要执行者。执行部分与控制部分采用r s 2 3 2 c 串口通讯。研 抛工具采用日本n s k 电动研磨主轴系统( 包括6 m m 磨头h g 2 0 0 、标准操作秆n k 3 5 1 、 控制器h e l 2 9 ) 。 串联机墨人系统 幽2l 串计联动由动研抛系统 串井联动机器人研抛系统的工作原理如图22 所示。在自山曲面研抛加工时，首先 由主控机分别发送运动指令给n p t 8 0 0 并联工作台和m o t o m a n h p 3 机器人，当串 并机器人接收到主控机发送的命令时立即做出响应，堆后完成加工曲面1 = 件的任务。 控机与m o t o m a n h p 3 串联机器人的控制柜n x l 0 0 采用串口通信然后再由控制 枢向m o t o m a n h p 3 串联机器人的末端执行器发出运动命令进而完成研抛动作。 二 甲空 暑薯 削2 2 自动研抛系统r 作朦理框斟 2 2m o t o m a n h p 3 串联机器人的基本性能 本文研抛加工系统中盟主要的特点就是以机器人代替人从事研抛加工作业，实现 自由曲面研抛加工自动化，因此作为研抛作业的主要执行者机器人的性能对研抛 加工自由曲面有着重要的影响。本文研究所采用的机器人之m o t o m a n h p 3 串联 机器人为示教再现型六自由度的关节工业机器人，其组成如圈23 所示。操作者可以通 过示教盒控制机器人完成所要求的动作，其示教编程语苦为i n f o r mi i 语言，其中主 要的命令语占有关节插补m o v j 、直线插朴m o v l 、圆弧插朴m o v c 、自由曲线插补 m o v s 等。也可以采用计算机语苗降制模式m o t o m a n - h p 3 串联机器人的计算机控 制语言为v c h 60 ，利用v c 十+ 60 中的函数实现一定的运动目的，然后将运动信息传 给n x l 0 0 控制柜，控制柜再将运动信息转化成i n f o r m i i 指令传递给机器人末端执行 器机器人床端执行器接到运动命令后按期望的运动轨迹开始运动，盲 命令终止。 机器人 奉件 目2 3m o t o m a n h p 3l 业机器人系统组成 i j 该机器人的外部结构如图2 4 所示，它具有s 轴、l 轴、u 轴、r 轴、b 轴和t 轴因此在三维空阃内具有六个自由度。在关节坐标系巾，耩本轴包括s 轴( 本体庄 右回旋) ，l 轴( 下臂前后运动) 、u 轴( 上臂上下运动) ，腕部轴包括r 轴( 手腕回旋) 、 b 轴( 手腕上f 运动) 、t 轴( 手腕回旋) 其中自u 三个自由度用柬改变机器人腕部终端 空间位雹后三个自由度用来改变终端的姿态，腕部终端可以安装机械手等工具用以 实现不同的功能，本文研究是将研抛工具( 主轴) 安装于腕部终端。 圈2 , 4m o t o m a n h p 3 删机器人的外部结构 m o t o m a n h p 3 串联机器人的性能指标见表2l 。运动范围如图25 所示。浚机 器人必须在运动空问允许的范围内使用，甭则将发出报警信号。另外，该机器人还具 有过载保护功能、检测碰撞功能、昂大、展小极限脉冲功能等等，当系统出现七述错 误时，系统发出相应的报警信号，同时系统停止工作。这样即保护了机器人的安全又 可及时解决出现的错琨。 表2 - 1m o t o m a n h p 3 串联机器人上要性能指标 鼬2 5m o t o m a n h p 3 串联机器人运动范罔 2 3n p t 8 0 0 并联工作台的基本性能 本文所采用的n p t 8 0 0 并联工作台为六自由度工业机器人其结构如图2 6 所示。 n p t 8 0 0 并联r 作台拥肯x 轴，y 轴、z 轴、u 轴、a 轴、b 轴共六个独立的运动轴因此 拥有六个自由度其中每个轴都配备一个运动电机，由d m c 2 6 1 0 控制卡控制六轴的数 字式伺服电机米实现运动。d m c 2 6 1 0 运动控制卡是雷泰公司自主研发的高性能p c i 六 轴运动控制 ，是一款基于p c i 总线、以a s i c 为核心的运动控制p 它可控制多达六 轴步进电机或数字式伺服电机特别适合于多轴点位控制、编码器位置检测等复杂功 能的应用 附2 6n f r 8 0 0 井戢1 作台 由于d m c 2 6 1 0 运动控制号内含硬件直线插补处理器，所以2 4 轴直线插补由硬件来 i5 完成。该运动控制卡具有运动自u 瞻功能，_ ：i i 插补运动参数及命令配置了预置寄存器， t 手孛机上的应用软件将一系列运动参数及命令写入指定的预置寄存器，在当前运动命 令执行完毕后硬件插补处理器立即自动装载预置寄存器中预存的运动参数，并继续执 行该运动命令。因此，d m c 2 6 1 0 运动控制# 在执行多段连续插补运动时，具有插补速 度快、衔接平滑的优点。d m c 2 6 1 0 运动控制# 可以接受6 个编码信号，并提供位置锁存 函数。当锁存信号被触发，编码器当前位簧就立即被捕获。捕获当前位置信号过程由 硬件高速完成。该功能用于位置测量十分准确、方便。d m c 2 6 1 0 运动控制卡还具有许 多其它高缴功能如在电机运动过程中，程序可以撤据用，1 的意愿修改该运动过程中 的运动速度和目标位置。可以设置不同加速度、减速度的梯形、s 形速度曲线。使用软 件或外部输入信号可以控制d m c 2 6 1 0 运动控制卡的6 个轴同时运动或同时停止运动。 d m c 2 6 1 0 运动控制卡的系统框图如图27 所示： p u ld i r 、 0 h p hz 舢拶：繁嚣一、e b p a , 阳 幽27d m c 2 6 1 0 运动控制 的系统框幽 d m c 2 6 1 0 提供的运动控制卤数库可以实现单轴定长运动、单轴连续运动、2 - 4 轴宜 线插补运动、2 轴圆弧插补运动等等。因此操作者可以通过m o t i o n 2 6 1 0 演示软件对并联 上作平台进行控制也可采用计算机语言( v c 或v b ) 控制本文采用v c + 拍0 编程 控制。 2 3 】n p t 8 0 0 并联工作台主要技术指标 n p t 8 0 0 并联工作台的机身材料为硬质钢、铝台会占铜色阳极氧化，负载重量为 5 0 k g ，动甲台半径r l = 1 5 0 m m 、固定平台r 2 = 3 2 7 m m 总高h = 7 2 5 m m 8 9 9 m m ，台面 撮大倾角为4 0 0 ，台面晟大转动角度为l o o 。，并联i 作台的主要技术指标如表2 - 2 所示。 表2 2n p t 8 0 0 并联f ：作台的主要技术指标 232 运动控制平台传感器厦控制信号示例 d m c 2 6 1 0 昔每轴都配有2 个限位信号1 个减速信号、1 个原点信号。每路信号都加有 滤波器可以过滤高频噪声，以保证动作可靠。罔28 为一般运动平台位簧传感器及控制 信号的示例。 2 4 研抛工具系统 留28 运动平台传感器及控制信号的示例 本文的研抛1 ：其系统由研抛工具( 采片jf 1 本n s k 电动研磨主轴系统包括6 m m 磨头 h g 2 0 0 、标准操作杆n k 3 5 1 和控制器h e l 2 9 ) 和自制央具组成。 h g - 2 0 0 、n k - 3 5 l 、n e - 1 2 9 是h 本n s k n a k a n i s h i 株武会社的产品简称n s k 。 其中电动马达n k 3 5 i 转速1 0 0 0 - 3 5 0 0 0 转份最大扭力4 2 0 9 f c m 最大输出7 1 w ；电动 研磨头h g 2 0 0 ，轴径6 m m 研磨棒专用，含d 6 m m ( c h g 6 o ) 兴头连续使用最高2 5 0 0 0 转以下。同本n a k a n l s h i 精密电动打磨机标准套，马达与机头为螺纹接几。 浚研抛工具通过法兰安装在机器人腕部，法兰和方台采用铝合会材料，可以减轻 重量，这就是整个研抛装胃的组成。 2 5 本章小结 本章针对单一机器人系统实现自由曲面研抛自动加工时，存在着工作牵日j 与精度、 刚度之问的矛盾，而拟建立一套串并联动协调研抛加工控制系统。该系统t 要出 m o t o m a n - h p 3 串联机器人、n p i 8 0 0 并联工作台和研抛工其系统组成，由于两个机 器人的性能对研抛加工自由曲面有着熏要的影响所以本章分别介绍了 m o t o m a n - h p 3 串联机器人和n p t s 0 0 并联工作台的特点及主要技术指标从实际要 研抛的工件着手为串联机器人腕部术端设计了新的央具，并采用了闩本n s k 电动研 磨主轴系统( 包括6 r m n 磨头h 0 2 0 0 、标准操作杆n k 3 5 1 、控制器h e l 2 9 ) 。本章为接 下来的研究奠定了基础。 第三章工业机器人运动学建模 为了实现多机器人自动研抛系统的运动控制，首先要对机器人进行运动学建模， 这是自山曲面精加工自动化的前提。由于机器人被认为是山各个关节将刚性轩件连接 起米的连杆机构。在每个机器人关节处建立柑应的动坐标系，选样就可以方便的用齐 次变换矩阵来描述动坐标系与固定坐杯系之日j 的关系及这些动坐标系之削的相对位置 和方向。而在三维空问中描述一个物体的位置和姿态( 简称位姿) 时需要六个自由度， 即位置自由度和姿态自由度。将空问物体的三个位移坐标( 或称位置自由度) 和三个 旋转坐标( 或称姿忐自由度) 所组成的六个自由度称为该物体的位姿。当描述工件、 刀具和机器人末端执行器之h 】的空自j 位置关系时，就要片j 到姿态矢量、位置矢量、齐 次变换矩阵和关节坐标系等概念，这些概念是工业机器人运动学建模的基础i ”啪i 。 3i