（机械电子工程专业论文）基于机器人的模具抛光柔顺执行机构研究.pdf

西华大学硕士学位论文 摘要 模具抛光是模具加工过程中极其重要的工艺之一，其加工质量是影响模具表面精度 的关键因素，提高模具抛光技术是提升模具成型产品质量的最有效途径之一。目前，模 具抛光多采用手工加工，抛光质量和生产效率难以提高。为了研究模具抛光这一难点和 热点课题，本文设计了一种基于工业机器人的模具抛光柔顺执行机构。柔顺机构可根据 模具自由表面曲率变化，自动改变抛光工具的位置和姿态，使抛光工具以恒应力加工， 以提高模具表面精度，提高生产效率。本文主要研究内容如下： l 、对工具和工件的微观接触情况建模，分析了接触面上的应力及作用力之间的关 系；在常应力的基础上，讨论了工具位置和姿态的调整情况。 2 、设计了一种基于工业机器人的模具抛光柔顺机构位置力控制方案，柔顺机构及 工具主轴固连在机器人末端执行器上，由机器人根据模具表面进行粗略示教；并基于力 传感器的反馈信号进行工具主轴位置和力的精确控制。 3 、设计了一种柔顺执行机构，并利用外购件及自制件对其实现，再对其搭建的平 台进行动作仿真。 4 、分析柔顺执行机构的工作空间，利用搜索算法绘制出了工作空间的三维图。 5 、阐述了基于力传感器反馈的柔顺机构运动平台和工具主轴的位姿控制方案，并 用位置逆解方法求解出柔顺机构原动件一气缸的伸长量；作为应用实例，对自由曲面 型面上的插补点进行位置逆解。 基于柔顺机构的位置力控制和基于力传感器的位姿控制，是本文研究的重点，也是 本文与其它的3 r p s 并联机器人模具抛光机构的区别，是本文的创新之处。基于工业机 器人的模具抛光柔顺执行机构的工作空间是轴对称的具有一定厚度的壳体，工具主轴可 根据模具自由表面的变化，调整位置和姿态，达到了预期的设计目的。 关键词：模具抛光；柔顺机构；位姿调整：力传感器 基于机器人的模具抛光柔顺执行机构研究 a b s t r a c t a so n e0 ft l l em o s ti m p o n 锄tp r o c e m l r e si nt h em o l dm 锄u f a c t u r i n g ，m o l dp o l i s h i n g q m l 时i sk e yf a c t o ra 仃e c t i n gt h ea c c i l r yo ft h em o l ds 训e i no r d e rt 0i m p r o v et h e m o l d i n gp r o d u c tq u a 1 i 妙，o n eo ft h em o s te f f e c t i v ew a y si s t 0i m p r 0 v em o l d p o l i s h i n g t e c h n i q u e s a tp r e s 印t ，p o i i s h i n gq u a l 时粕dp r o d u c t i e m c i 朗c ya r ed i f ! f i c u l tt 0i m p r 0 v e b e c 肌s em o l dp o l i s h i n ga l w a y sf m i s h e db ym a n 岫l 叩e r a t i o n t od 0s o m er e s e a r c h0 nt h i s d i 拓c u l t 锄dh o t s p o tt o p i c ，ac 伽叩l i 锄ta c t u a t o rb 勰e d - i n d u s 仃i a lr o b o tf o rm o l dp o l i s h i n g i sp r o p o s e di nt h i sp 印e r c o m p l i 卸ta c 眦0 ri si l s e dt 0i i n p r o v em o l ds l l r f a c ea c c m c y 锄d i l l c r e a s ep r o d u c t i v 时n l r o u g hc h 锄舀n gp o s i t i o n 锄dp o s t u 】r eo ft o o la u t o m a t i c a l l yt 0s u p p l y c s 协mc 觚s 仃e s sb 咖e 锄t 0 0 l 锄dp a na d a p t i n gt 0t h em o l d 丘e e - f o m 驯渤c ec l l r v a n 玳 c h 柚g i n g t h em a i nc o n t 钮t so ft h i sp a p e ra r e 舔f o l l o w s ： l r e l a t i o n 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i nt l l i c k n e s s t 0 0 ls p i n d l ec 锄 a d j u s tp o s i t i o n 锄dp o s t u r ea c c o r d i n gt oc h a n g e si nm o l d 台e e f o ms u r f a c ea u t o m a t i c a l l y t h e 锄t i c i p a t i o no ft h i sp 印e ri sa c h i e v c d k e yw o r d s ： m o i dp o s h j n g ；c o m p a n ta c t u a t o r ；a d j u s t m e n to fp o s i t i o na n dp o s t u r e ； f o r c es 仑n s o r 西华大学硕士学位论文 1 引言 1 1 论文研究背景 由于用模具成形的产品精度高、一致性好、外形美观，因此越来越多地用于高精度 机械产品制造中，如飞机，船舶和高速列车等设备的结构和内饰件等，因此模具素有制 造之基的美誉【l 】。用模具生产制品所表现出来的高效率、低消耗、高一致性、高精度和 高复杂程度是其他任何加工制造方法所不及的。模具制造业己成为与高新技术产业互为 依托的产业，模具工业技术水平的高低己成为衡量国家制造业水平的重要标志之一【2 】。 目前，随着国际交往的日益增多，外资在中国模具行业的投入日渐增加，中国模具 己经与世界模具密不可分，中国模具制造业在世界模具中的地位和影响越来越重要【2 1 。 模具结构将会日趋大型、复杂和精密，而精密则是发展的重中之重。提高模具质量，提 高产品质量，可极大地推进工业产品的高档化和多样化。模具也不例外，在模具制造工 艺中，零件表面研磨与抛光是在模具基本形状形成以后的平滑和光整加工，它是提高模 具质量的重要工序。 在模具制造中，为消除工具和电火花在模具表面留下的痕迹，光整加工，主要是抛 光成为必不可少的重要工艺，占整个模具制造时间的3 0 5 0 【3 4 】。因此如何提高和保 证抛光质量。对控制模具加工成本，提高产品质量和核心竞争力，无疑有着重要意义【5 1 。 掌握合理的抛光方法，可提高模具质量和使用寿命，进而提高产品质量【6 】，这是提高模 具成型产品的表面质量最根本、最有效的方法之一。 模具抛光方法多种多样，国内外模具抛光技术日新月异。目前模具抛光主要分为机 械抛光方式和非机械抛光方式。非机械抛光主要包括以下几种：等离子抛光、液体喷射 抛光、电化学抛光、磁体抛光、激光抛光、超声抛光、气囊抛光以及多种方式混合抛光 掣删。机械抛光主要包括传统的磨头机械抛光、机构辅助抛光等方澍6 ，9 。7 1 。下面对国 内外常见模具抛光方法进行简单介绍和分析。 1 2 模具表面抛光技术研究现状 1 2 1 模具表面非机械抛光 等离子束抛光是最近几年出现的新型抛光技术。日本冈田大学的y o s h i y u k iu n o ， 崩髓o k a d a 等人提出利用大面积电子束照射模具表面的方法对金属模具进行抛光加工， 抛光原理如图1 1 【l s 】。等离子束抛光除用于模具外，也可以推广到人造关节的抛光上【1 9 1 。 等离子束抛光有如下特点：l 、工件表面粗糙度会随着电子束能量密度和照射次数的增 基于机器人的模具抛光柔顺执行机构研究 加而减少，在合适的加工条件下，粗糙度可在数分钟内达到o 7 岬以下。2 、电子束照 射抛光的材料去除厚度是一致的，3 0 次约去除l 岬。3 、可大大提高新形成的工件表面 的抗腐蚀性。4 、如果表面倾斜角接近9 0 。的话，表面精度可大幅度提高。此外，加利福 利亚大学的z g w 姐g 及国内重庆工学院的胡建军等人也对等离子束抛光做相应研究 【2 0 2 i 】 o 图1 1 等离子束照射抛光 f i g 1 1 e l e c 仃b e a mi r r i 乜i t i p o l i s h i i l g l 一阴极；2 一电磁线圈：3 一等离子射线；4 一阳极；5 一工件；6 一容器 电解抛光是利用电化学阳极溶解的原理对金属表面进行抛光的加工方法，其效率较 高【2 2 。2 4 】。为了进一步减小模具表面的粗糙度，无锡市盛良电加工设备厂的季仁良等提出 了先进行电化学预抛光，再进行机械精抛光的加工方式【2 5 】。电解抛光的基本原理由图 1 2 所示，导电锉不断刮削高点面，使新面电解，起到了整平作用。 图1 2 电化学抛光示意图 f i g 1 2p r i i l c i p l eo fe l e c t r o nc h e m i lp o l i s h i n g l 一加工容器；2 一切削液喷嘴：3 一导电挫；4 一工件；5 一切削液 在抛光技术的发展过程中，由于硬质抛光工具对工件的磨损作用较大，划痕较深， 人们越来越注意到其柔性的重要性，于是产生了气囊抛光技术。浙江工业大学的计时鸣、 金明生等人提出了模具自由曲面气囊抛光技术【2 让7 】。如图1 3 所示，在抛光过程中，气 囊和工件之间充满了细小的磨粒，根据磨粒嵌入气囊表面的深度不同，磨粒以滚动模式 和滑动模式对工件切削。由于磨粒直径很小，所以每个磨粒对工件的切削量很小，可以 2 西华大学硕士学位论文 达到很高的抛光精度；同时，磨粒数量很多，在同一时刻有很多磨粒对工件进行磨削， 磨削效率得到大大提高。 图1 3 气囊磨粒抛光示意图 f i g 1 3p r i n c i p l eo f a i rb a gw i 也a b 戌峪i v ep o l i s h i n g l 一磨粒；2 _ 工件；3 橡胶气囊 台北国立中央大学的b h y 趾等人提出磨粒( s i c ) 液体混合抛光方法【2 8 】，系统结 构如图1 4 所示，主要硬件包括由p c 机控制的步进电机带动的x y 平台，一个由三轴 控制器驱动的旋转工作台，提供气流和细小磨粒的喷嘴，一个能使液体和磨料循环使用 的收集器以及磨料混合系统。在抛光过程中，喷嘴喷射出磨粒，带有初始压力的磨粒作 用于工件表面，产生摩擦、耕犁、切削，提高模具表面精度。 图1 4 液体磨粒喷射抛光示意图 f i g 1 4p r 诅c i p l eo fn u i da b r a s i v ep o l i s h i n g l 平台：2 _ 工件；3 - 磨粒喷嘴 西班牙b a s q u ec o u n 时大学的u l ( a re 、l 锄妇a 等人提出利用c 0 2 激光以及高能 二极管激光进行模具抛光的方法【2 9 删。激光抛光方法的原理与电子束抛光比较类似，只 基于机器人的模具抛光柔顺执行机构研究 是抛光工具由氩气离子束变成了c 0 2 激光和高能二极管激光，如图1 5 所示。激光抛光 过程的机理是模具表面的熔化和熔化材料的快速固化，从而形成更为光滑的曲面。 进给 图1 5 磁力抛光不意图 f i g 1 5p r i n c i p l eo fn u i da b r a s i v ep o l i s h i n g l 一待熔尖峰；2 一待填壑谷： 1 2 2 模具表面机械抛光 传统机械抛光是依靠切削或使材料表面发生塑性变形而去掉工件表面凸出部分得 到光整面的抛光方法，一般把羊毛轮、油石条、砂纸等作为基本工到6 1 。 为了满足更高要求的抛光质量，并且基于节约人力和工厂自动化的目的，目前出现 了基于数控机床或工业机器人的硬质磨头抛光方式【3 1 。3 3 1 。如图1 6 所示，球型磨头上嵌 有磨粒，一般选用s i c ，a 1 2 0 3 ，以及金刚石等材料。整个抛光过程在一个封闭的容器中 进行，球型磨头在工作台的带动下按一定的轨迹运动，产生切削；同时容器内加入切削 液用于冷却和冲洗工件，并将废液排走。由于此法中磨头与工件一直接触，始终作用于 工件上的切削力较大，因此磨头磨损量较大。 柔顺执行机构抛光属于传统机械抛光方法的一种，即用具有柔性、自适应能力的辅 助机构加在机器人和工具之间，使工具具有自动适应模具表面曲率变化的能力，同时改 变接触力，达到柔顺抛光的目的，从而提高抛光精度。加拿大r v e 璐o n 大学的“觚g “、 f 明g f 即g x i 等人设计出双作用柔顺工具头对模具进行抛光加工睁坦1 。如图1 7 所示，此 工具头有一个能够扩展的气动主轴，并利用三个气动执行器收缩来提供工具的柔顺性。 由于集成了一个压力传感器和一个线性编码器，工具头可用来抛灯去毛刺。与上述成果 相似，韩国c h 孤g w 叩大学的c h i h y 0k i l l l 、s 帅g - j 0 0 硒m 等人设计出5 自由度常约束 力执行机构n 引。美国p u s h c o 印公司设计出基于工业机器人的轴向力控制装置，该装置 提供一个常力，从而使抛光或加工过程中，工具具有轴向柔顺性，以更好的适应不同的 西华大学硕士学位论文 工件表面【1 4 】。美国a t i 工业自动化公司开发出具有轴向柔顺性和径向柔顺性抛光辅助装 置，用以抛光注塑工件毛刺及钢质工件【15 1 。 图1 6 球形磨头抛光 f i g 1 6 b u f j f b a up o l i s h i i l g 1 一磨削液入口：2 一磨削液出口；3 一进给方向4 一磨削头；5 一刀痕高度 图1 7 双作用抛光工具头系统示意图 f i g 1 7p m c i p l eo f ( 1 u a l - p u i p o s ep o l i s h i n gs y s t e m 1 2 3 其他抛光方法 模具抛光方法多种多样，除上述八种常见方法外，还有超声振动抛光、抛光垫抛光、 多种方式结合等多种方法。日本神户大学的h s u z l l l 【i 等人研制了一种超声波振动辅助 抛光机【划。台北国立清华大学的h h o c h g 等人也提出模具超声抛光方法【3 5 1 。吉林科 技大学的赵吉等人提出基于机器人的倾斜角超声波抛光方法【4 】，此外，英国n 0 位i n g l l 锄 t r e n t 大学的a r j o n e s 以及国内黄石高等专科学校的吴鉴等人也做了超声抛光方法研究， 取得了一定成果6 1 。 随着抛光技术的发展，抛光技术不再是单一的方式，而发展成为新型的多种方式相 结合的技术。这样有利于糅合各种技术的优点，最终达到大幅提高抛光精度的目的。韩 国世宗大学的j e o n g d u 酗m 等人提出三维模具表面磁力抛光技术【3 7 1 。这种方法的新颖 基于机器人的模具抛光柔顺执行机构研究 之处在于用磁力作为抛光压力，因此不需要严格控制抛光路径，原理图如图1 8 所示。 抛光装置由磁力抛光工具和小型c n c 系统构成。由于机构中万向节的存在，这种抛光 工具最重要的特点是具有根据工件表面轮廓进行自调节的功能。在此基础上，哈尔滨工 业大学的y q c h 髓等人提出了合金模具混合抛光技术【3 8 】。这种方法集合了电化学一机 械一磁力抛光等方式，发挥各自的优点，在提高抛光质量的同时极大的提升了效率。 l 、l 一， 图1 8 磁力抛光示葸图 f i g 1 8p 血c i p l eo f m a g n e t i cp o l i s h i n g 1 一阴极；2 一绝缘层：3 磁体；4 一磨片；5 一橡胶；6 一阳极模具；7 _ 电解液喷嘴；8 一绝缘单元； 卜电解液出口 德国b r 锄朗u n i v e 墙时的e b r i n l ( s m e 衙等人在模具的抛光过程中，先用磨粒抛光， 再用激光抛光，最后使用磨粒液加工，三种方法加工相结合，从而提高抛光精度【3 9 】。安 徽工程科技学院的赵雪松、高洪等人提出精密模具超声电解复合抛光技术【柏】。 浙江工业大学的潘艳、计时鸣等人提出基于“软性”液一固两相流的模具表面光整方 法【3 】，这种新的加工方法，既能解决模具制造领域的技术难题，又能推广到其它领域， 如加工抛光工具难以接触的复杂表面、金属和非金属材料工件的自动化镜面加工等。 1 3 课题的来源、目的和意义 本课题来源于四川省科技厅科技支撑计划项目( 2 0 1 0 g z 0 1 3 2 ) 、西华大学重点学 科建设项目( s z d 0 4 0 9 0 8 0 ) 以及西华大学研究生创新基金项目“机器人模具抛光柔顺 执行机构研究”。 目前，模具精度抛光主要有两种方式：人工手动抛光和机械工具抛光。前者要求操 作者经验丰富，熟练程度高，因此生产效率低下不利于批量生产；后者对机械工具材 料要求较高，且抛光过程难以控制，因此抛光精度较低。本课题旨在设计柔顺执行机构， 能灵活的调整工具主轴的位置和姿态。当模具表面的形状发生变化时，工具主轴能够自 动改变位置和姿态，适应模具表面形状，从而以常应力作用在抛光点上，提高抛光精度。 6 西华大学硕士学位论文 将柔顺执行机构应用于模具抛光，可极大改善模具表面精度，提高模具成型产品质 量；同时可缩短抛光时间，提高劳动生产率，适应大批量生产。此外，在成熟运用模具 抛光的基础上，还可以将柔顺机构推广到柔性安装、柔性码垛等多种领域。因此，柔顺 执行机构的研究具有极其重要意义。 1 4 论文的主要内容 经综述分析，模具表面非机械抛光技术种类多样，抛光原理各异，用途新颖，表面 光整度较高；但是表面质量控制困难。模具表面的不同区域的材料去除率不同，非机械 抛光技术难以达到。机械抛光抛光技术控制可靠，抛光过程中的材料去除量和工具轨迹 易于控制；但是模具表面质量有待进一步提高。为了更好的提升模具表面光整度，提高 模具成型产品的质量和生产率，本文选择机械抛光技术，采用柔顺执行机构辅助抛光方 法，提出基于机器人的模具抛光柔顺执行机构设计。这种设计建立在传统磨头抛光的基 础上，柔顺执行机构加在机器人和工具之间，由机器人运动决定安装在机构末端工具的 运动轨迹，由柔顺机构的动作来确定工具姿态及与工件间的接触力。为了进一步提高抛 光精度，工具也要做进一步设计改进，如工具形状、表面附加涂层等。本文对此不再作 阐述。 基于上述构架，论文内容安排如下： 第一章为引言。首先分析了论文的研究背景及意义，指出模具工业的重要性及模具 抛光工艺的重点及难点；其次引用参考文献，总结了目前国内外常用的各种模具抛光方 法，指出了各自优劣之处：最后给出了本文的主要研究内容及组织结构。 第二章阐述了模具抛光的基础知识，对模具抛光过程中工具和工件的微观接触情况 进行建模，以分析了接触面上的应力及作用力；在此基础上，讨论本设计的设计对象和 目的抛光工具的位置及姿态的调整情况。 第三章提出模具抛光柔顺执行机构的设计方案，介绍机构的主要构件及工作原理； 并阐述模具抛光工程中，工业机器人进行粗略定位，柔顺机构做精确的位置和姿态调整 的控制理念。 第四章对设计方案进行实物化，即方案的实施。根据工况选择合适的外购部件，再 根据外购部件的尺寸及安装方式，设计加工自制元件；最后搭建柔顺机构的三维模型平 台，并进行动作仿真。 第五章针对柔顺机构的设计实体，对机构的工作空间进行分析。建立运动平台的位 姿变化数学模型，并用搜索算法求解抛光工具中心的可达位置空间，从图形上描述了柔 顺机构的工作空间。 基于机器人的模具抛光柔顺执行机构研究 第六章首先阐述基于力传感器的抛光工具位姿控制策略，整个控制策略的控制因素 是传感器的力反馈；然后根据控制策略，提出位置气缸和姿态气缸的伸长量求解算法。 第七章提出了一种柔顺机构求解位置气缸和姿态气缸伸长量的位置逆解方法，以一 个特定形状的模具表面为例，根据设计中提出控制的策略，求解了各个执行元件一气 缸的伸长量。 最后，在结论部分对本文所做的工作进行了总结，并对后期的研究方向做出了展望。 8 西华大学硕士学位论文 2 模具抛光基础 2 1 模具抛光微观分析 模具抛光，即是利用机械、物理、化学的方法使模具自由表面的粗糙度降低，以获 得光亮、平整的高质量表面的加工方法。不同抛光方法的微观机理在引言中已经有所简 述，本节对工具抛光即机械抛光方法的微观机理作进一步分析。 在本质上讲，模具抛光过程也是模具表面材料去除的过程。目前，材料去除机理大 致分为三个方向：化学作用理论、流动作用理论及机械作用理论。其中，机械作用理论 是最为研究者接受的理论，表现为：工具对抛光工件产生滑擦、耕犁、切削、疲劳磨损 或裂解作用嘲。 在模具抛光工艺中，抛光工具一般为磨轮，上面嵌满了许多大小各异的磨粒；磨粒 不断对工件表面进行磨削，产生光整效应。为了分析机械抛光方法的微观机理，将工件 的微观表面简化为平面，工具上布满磨粒，其接触模型如图2 1 所示【9 1 2 ，4 1 ，4 2 】。磨粒形状 多种多样，如半球形、圆台形和三棱形，本文选择半球形磨粒。在某一接触瞬间，抛光 工具上的磨粒共存在两种状态，接触状态和非接触状态。由于各个磨粒的半径不同，则 半径大的磨粒则会优先与工件表面接触。接触面上的力与接触面积的关系由式( 2 1 ) 表 示。 册= 考 c 2 么 正为接触时磨粒所受的力，由作用在抛光工具上的力和抛光工件上的磨粒数量共同 决定，在此不在赘述：4 为磨粒与工件的接触面积；册为工件材料的布氏硬度系数。 在抛光过程中，半径最大的磨粒首先参与磨削，如图2 2 所示。当仅有半径最大的磨粒 与工件表面接触时。磨削深度如式( 2 2 ) 所示。f 为作用在整个抛光工具上的力，d 。 为最大磨粒的直径，甄为切削深度。 ”南 眩2 ， 9 基于机器人的模具抛光柔顺执行机构研究 工件 图2 1 工件和抛光工具的接触模型 f i g 2 1 c o n t a c tm o d e lo fw o 却i e c ea n dp o l i s h j l l gt o o l 图2 2 厝粒切削模型 f i g 2 2 a b r a s i v ep o “s h i n gm o d e l 如图2 2 所示经第一次抛光后，o 。一 。为最大磨粒半径与切削深度的差值。将 ，| 。一办。与名：进行比较：若较大，则最大半径磨粒承受全部作用在抛光工具上的力，a 作 为最终的切削深度；若较小，次大半径磨粒也参与承受抛光力，即抛光力共同分布在最 大和次大半径磨粒上。次大半径磨粒所受的力及切削深度如式( 2 3 ) 、( 2 4 ) 所示。 z = 如2 南 嬲、h b ( 2 3 ) ( 2 4 ) 根据同理分析方法，若接触磨粒数量为正，则每个磨粒所受的力及切削深度如式 ( 2 5 ) 、( 2 6 ) 所示七为表面磨粒数量。 1 0 西华大学硕士学位论文 2 2 抛光工具姿态分析 z = ”南 ( 2 5 ) ( 2 6 ) 图2 3 抛光过程中工具受力示慈图 f i g 2 3 f o r c eo nt o o lo fm o l dp o l i s h i n g l 一抛光工具；2 一抛光工件 在模具抛光过程中，抛光工具在垂直于工件轮廓法线方向上，沿着规划好的路径运 动，同时自身转动，完成加工过程。抛光工具一般安装在数控机床或者机器人上，其路 径也相应的由数控机床或者机器人产生和控制，本文中以机器人为研究目标。然而，由 于模具钢和抛光工具的材料质地都很坚硬，在精密抛光的过程中，易产生划痕，这会大 大影响模具表面精度。因此在抛光过程中，研究工具作用在工件上的力及工具与工件的 接触姿态十分重要【4 3 1 。 如图2 3 所示，在抛光过程中，y 是抛光工具线速度，则工件受到抛光工具提供的 与y 方向相同的切削力 另外在垂直于工件表面的法线方向，抛光工具给予接触表面 以压力f 。切削力厂来自于工具的旋转运动，决定着切削主运动的快慢，本文不再对其 进行分析。抛光工具提供给工件接触面压力，决定着每一个进给过程中的切削深度，是 本文主要的研究对象。 基于机器人的模具抛光柔顺执行机构研究 图2 4 抛光过程中工具姿态调整不意图 f i g 2 4 p o s t l ea d j u s t m e n to nt o o lo fm o l dp o l i s h i n g l 一调整角度；2 一工具规划姿态；3 一偏移距离：4 一实际待加工轮廓；5 一调整后理想姿态：6 一理 想轮廓：7 l 工件 经过前期粗加工，模具表面实际轮廓与期望轮廓不重合，存在一定的偏移。如图2 4 所示，待加工的实际轮廓表面是自由曲面，曲面上各个待加工点的待切削余量也不相同。 若一直按规划轨迹进给，模具表面会出现过加工和欠加工，达不到精抛光的目的。为此， 在抛光的过程中，需要针对不同的实际待加工轮廓表面，不断的调整抛光工具的位置和 姿态，以适应不同表面曲率，进行均匀加工，得到期望的轮廓曲面。当进给到某个加工 点时，工具根据当前点的曲率，改变轴向位移和径向位移，使其自身垂直于加工接触面， 这是工具姿态调整的标准。 2 3 本章小结 本章对模具抛光过程中抛光工具和工件的微观接触情况进行建模，分析了接触面上 的作用力的分布情况；在常应力的基础上，讨论了工具的位置及姿态的调整情况，这是 提高模具表面抛光质量的有效手段，也是本设计的设计对象和目标。 1 2 西华大学硕士学位论文 3模具抛光柔顺执行机构设计 美国p u s h c o 印公司设计出基于工业机器人的轴向力控制装置【1 4 】，该装置提供一个 常力，从而使抛光或加工过程中，抛光工具具有轴向柔顺性，以更好的适应不同的工件 表面 1 4 】。如图3 1 所示，装置装配在工业机器人卜，由机器人实现运动轨迹；同时，配 有专用的控制器，采用主动力控制提供常力方式驱动工具头。但是这一系列的柔顺装置 只是在轴向具有力控制功能，即具有柔性；当面对复杂的自由曲面时候，其适应能力有 限。 是1 一-一 。：。：_ r i ，硌- 心o ：髟 一二一。警。，遵备。 一 、， ， + ，、匮。 二j i ； 凼 。弓 ：。岜- 。 _ 图3 1主动轴向力控制机构系统示意图 f i g 3 1p f i n c i p l eo f a c t i v ef o r c ec o n 口o lm e c h a n i s ms y s t e m 美国a t i 工业自动化公司设计出基于机器人的柔顺抛光装置【15 1 ，如图3 2 所示，公 司开发出具有轴向柔顺性和径向柔顺性抛光辅助装置，用以抛光注塑工件毛刺及钢质工 件。整个装置通过调节气体压力来控制，实现清理不同零件需要的不同顺从性。这一系 列的柔顺装置分别具有轴向柔顺性或径向柔顺性，但不能同时实现轴向和径向柔顺。在 加工过程中，工j 机器人通过快换机构在不同的工艺段安装不同的柔顺机构来实现不同 的功能，以适应复杂的自由曲面抛光。 图3 2 柔顺机构系统示意图 f i g _ 3 2p r i n c i p l eo fc o m p l i a n c em e c h a n i s ms y s t e m 1 一轴向柔顺；2 一径向柔顺 基于机器人的模具抛光柔顺执行机构研究 这些装置都是在抛光工具径向或轴向上具有可调节的柔性，实现一定程度上的柔顺 调节。为了更好地适应三维空间的柔顺调节，需要设计出兼具轴向柔性和径向柔性的机 构。西北工业大学的屈健康等人提出了模具自由曲面抛光并联机器人的总体设计构想， 如图3 3 所示，整个并联机器人由两部分构成，即上端的抛光工具位置和姿态控制机构 以及下端的工件运动平台构成。上端的位置和姿态控制机构由固定平台、驱动杆、动平 台等几部分组成。固定平台和驱动杆之间通过旋转副连接，驱动杆与动平台通过球副连 接。下端的工件运动平台共包括三个自由度，即平面内的移动和垂直与平面的转动【l 6 1 7 j 。 这种柔顺机构也常常被称作3 l 心s 并联机器人，作为单独的位置控制机构被加以研究。 l 图3 3 自由曲面抛光并联机器人结构简图 f i g 3 3p r i i l c i p l eo fp a m l l e lr o b o tm e c h a n i s mb 舔e do n 丘e es f a c ep o l i s h i i l g l 伸缩杆l ；2 一抛光轮i3 一工件；4 一工作台；5 十字导轨；6 一机身：7 伸缩杆2 ；8 伸缩杆 3 ；争- 动平台 3 1 柔顺执行机构简介 参照屈健康等人提出的自由模具表面抛光并联机器人，由于其并联机器人主要立足 于位置和姿态的控制，达到精确定位抛光工具的目的，缺乏对接触压力的控制，抛光精 度有待进一步提高；同时并联机器人结构复杂，体积和质量较大，稳定性比数控机床差。 本文提出一种三角均布式柔顺执行机构的设计。 如图3 4 所示，机构主要包括四大部分，上端有一个大的圆形固定板，用于把机构 固定安装在机器人上，是整个机构的基座；固定基板的下方连接三个直线运动构件，本 设计选用气缸呈1 2 0 0 均匀分布，且安装位置位于一个同心圆上，即与基座圆心的距离 相同。三个气缸( 下文称姿态气缸) 分别作直线运动，从而合成机构的空间运动：姿态 气缸下端通过球头铰链与运动平台相接，姿态气缸的合成运动在运动平台上得以体现； 运动平台上固定有用于控制工具轴向伸缩的气缸( 下文称位置气缸) ，用以控制工具主 轴。在运动平台和主轴之间安装有三维力传感器，用以检测作用在抛光工具上的力，这 1 4 西华大学硕士学位论文 是反馈信号的来源，闭环控制的主要参数。工具主轴通过自身转动带动抛光工具完成对 工件的加工。 图3 4 柔顺执行机构示慈图 f i g 3 4c o m p l i 锄c em e c h a n i s m 1 一旋转副；2 一球副；3 一三维力传感器；4 一位置气缸；5 一工具主轴：6 一运动平台：7 一姿态气缸： 8 一固定基板 3 2 模具抛光系统力调节方案 在模具抛光过程中，为了适应模具自由表面的复杂性，得到更高精度的表面，常常 需要对抛光力进行控制。在这些力调节的方案中，出现了新兴的对机器人的作用力直接 进行控制的理论。 由于机器人关节复杂，自由度高，因此其具有高线性度、强耦合性的特点；同时， 外界环境具有很多不确定性因素，当机器人末端执行器与外界环境接触时，机器人的控 制性能会受到极大的影响。燕山大学的蔡建羡、宋维公等人提出不确定性机器人的智能 控制方法基于力位置混合控制，他们提出模糊神经网络控制器和反馈控制器组合方 案】。为了进一步优化控制方案，又提出具有鲁棒性的阻尼控制器以达到理想的力控制 效果【删。合肥工业大学的千方建等人提出了基于多维力传感器的机器人运动控制方案【4 5 1 ， 湖南大学的王平等融合上述技术，提出综合p c 机、运动控制卡、交流伺服及传感器的 硬件控制系统 4 6 】：同时，开发出一套人机交互式的机器人自动抛光加工控制系统软件。 日本的k a z u ok i g u c h 等也做了相应研究，提出力位置混合控制方案【4 7 】。 本文利用工业机器人固定柔顺机构，结合实际，提出新的模具抛光力控制方案。工 具及柔顺机构安装在机器人末端执行器上，由机器人的控制柜发出指令，运动到指定位 置。该指定位置是基于模具表面的粗略轮廓，经过机器人控制柜插补和运算得到。同时， 基于机器人的模具抛光柔顺执行机构研究 在加工的过程中，柔顺机构实现对抛光力的调节。柔顺机构基于力传感器的反馈，通过 力分解算法，确定工具和模具表面的接触情况，驱动气缸执行元件做出反应，实现对工 具力和姿态的控制。 3 2 1t e c n o m a t i xr o b c a d 简彳1 t c c n o m a t 政r o b c a d 是西门子公司一款用于机器人自动空间仿真、验证和离线编程 的软件。该软件可用于产品资源及生产背景下，可用于多设备机器人和自动化操作过程 的设计、仿真、优化分析及离线编程。r o b c a d 为优化过程和计算周期时间提供了并行的 平台，并能够用于设计生动具体的加工单元和系统样本。r o b c a d 利用强大的过程具体应 用的集合，集成了一系列广泛的制造学科的核心技术，如点焊、弧焊、激光和水射流切 割、钻孔及人工操作等。 r o b c a d 可极大的提高加工制造过程中的质量、精度及利润，减少工人劳动时间和 产品交货时间，优化开发和资本投资，最大的发挥设备的利用率，减少产品成本，加速 产品向市场推广的进程【4 卅。 3 2 2 模具抛光系统整体控制方案 在机器人应用方案中，如焊接、搬运、码垛、抛光等方面，力位置调节是必要的工 艺步骤。目前，行业中常见的方法是通过在机器人控制器中加入调节模块，优化控制算 法等方法来实现机器人末端执行器的力位置控制。 机器人在进入工业领域以来，一直致力于位置控制，其主要目的是推动末端执行器 到达精确的位置。为了适应更复杂的工业实际应用，必须在精确位置控制的基础上加入 力控制，以实现加工工艺中对力的要求，如焊接压力，搬运夹持力等。目前，国内外有 很多学者致力于机器人力位置混合控制的研究，做出了相应的成果。 机器人线性度高、耦合性强，直接对其采用力位置混合控制方案难度高。传统的抛 光加工中，工具装配在机器人末端进行磨削、抛光等。本文提出基于机器人的柔顺执行 机构模具抛光力控制方案。如图3 5 所示，将建立好的执行机构三维模型导入r 0 c a d 软 件，并调用软件中包含的机器人库文件，建立工作平台模型，仿真整个系统。模型中选 用公司的l 0 0 型机器人。在工具和机器人末端执行器之间，加入设计的柔顺执 行机构，从而使工具具有了一定程度的柔性，便于抛光加工。机器人带动柔顺机构和工 具，按照机器人内部控制器的插补轨迹运动。插补轨迹来源于控制器内部，是机器人在 示教过程中自动产生的。 在抛光过程中，为了精确控制工具的位置，使其恒垂直于抛光表面，将工具的运动 轨迹分两步控制。首先，通过机器人实现工具的粗定位：其次，通过柔顺机构实现工具 的精定位及力控制。后者是本文的主要讨论目标。 1 6 西华大学硕士学位论文 图3 5 基于机器人的柔顺执行机构抛光示意图 f i g 3 5c o n l p l i 她c em e c h 觚i 锄p o l i s h i n gb a s e do nr o b o t 1 一机器人；2 一柔顺机构：3 一力传感器；4 一工具；5 一工件：6 一工作台：7 一控制柜 从本质上讲，抛光工具的精定位包括两部分，即抛光工具的轴向微调和工具的径向 微调。工具轴向微调的调节依据是工具与工件间的压力。当压力过小，工具前伸，增加 接触压力，避免欠抛光；当压力过大，工具后缩，减小接触压力，避免过抛光。轴向微 调过程主要由位置气缸完成。工具径向微调的调节依据是工具与接触面垂线方向的夹角， 当夹角小于9 0 0 时，柔顺机构偏转一定角度，使工具始终垂直于接触面。径向微调过程 主要由姿态气缸完成。这是整个模具抛光系统的工作原理，机器人和柔顺机构相互配合， 完成抛光加工。 3 2 3 常用基础参数设定及符号规定 为了方便表达及建立模型，现对必要的基础参数和符号作如下的规定。 一、姿态气缸长度表示：从1 开始编号，用厶。表示初始状态下，第f 号姿态气缸所 在轴的球铰中心到其安装耳环中心的距离；用厶+ 表示当气缸全部伸出时，第f 号姿态气 缸所在轴的球铰中心到其装耳环中心的距离，卢l ，2 ，3 。 二、关节表示：从l 开始编号，用彤表示第i 号固定基板关节，卢l ，2 ，3 ；用咖，表 示第i 运动平台关节，f 1 ，2 ，3 。 三、气缸与运动平面上相应关节与运动平台中心点所呈直线的角度表示：从1 开始 编号，谚。，谚一，谚+ 分别表示第i 号气缸的球头关节初始安装位置与基板平面夹角，运 动过程中与基板平面的最小夹角，及与基板平面的最大夹角。即在球头关节咖，( 滓l ，2 ，3 ) 基于机器人的模具抛光柔顺执行机构研究 处，当处于原始装配状态时，球铰处于静止初始状态时，气缸与基板平面的夹角为九； 受球铰机构的限制，其与基板平面最小夹角为丸，最大夹角为丸。如图3 6 所示。 四、固定基板和运动平台半径表示：运动平面半径一尺，固定平台半径一r ，。 五、位置气缸长度表示：工柏表示初始状态下，位置气缸总长；k 表示位置气缸活 塞杆全部伸出时，位置气缸总长。 五、用- 表示在j 时刻的相关参数：厶表示在第f 个气缸所在轴在时刻的长度，九 表示在第f 个球头关节在，时刻与基板平面上相应关节至运动平台中心所呈直线的夹角。 贝u 上扣厶冬“；谚一办织+ 图3 6 球头关节处气缸轴与运动平台角度示意图 f i g 3 6a n g l eb e 似，c e nc y l i l l d 盯a x i s 砒s p h e 他j o i