（机械电子工程专业论文）多自由度抛光系统柔性抛光头姿态控制策略研究.pdf

浙江工业人学硕+ 学位论文 多自由度抛光系统柔性抛光头姿态控制策略研究 摘要 模具是社会经济发展中的基础设备，在机械制造、化工、电子电工等行业中都是必不 可少的工具。模具的设计制造水平已经成为衡量一个国家工业发展水平的重要标志。在模 具j h q - 中，抛光作为精加工的最后一道工序，主要目的是降低工件表面的粗糙度。多自由 度抛光系统的发展，极大的提高的模具抛光的工作效率，但是长期以来，一直困惑多自由 度抛光计算机系统取得实质性效果上的突破的关键问题之一就是抛光工具在加工过程中 的位置姿态控制和抛光作用力的控制。 为解决这个问题，本文通过对抛光去除模型中关键参数的研究，并结合实验数据分析， 得到柔性抛光过程中的理想姿态控制参数和理想线速度，建立了无干涉抛光过程数学模 型。在此基础上，提出一种抛光工具的姿态控制算法，以保证抛光过程中，自由曲面工件 各接触点处的抛光参数相同，并以工业机器人m o t o m a n h p 2 0 为对象，实现了理想的抛光 头姿态控制。本文的主要工作和成果如下： l 、在对p r e s t o n 方程进行深入研究的基础上，建立了自由曲面抛光模型，得出了在本 实验下的理论去除函数数学模型。并进行一系列的姿态控制参数实验研究，得到理想的控 制参数。 2 、以工业机器人m o t o m a n h p 2 0 为对象，实现了理想姿态控制的算法。以p r o e 预设 的数控加工刀具轨迹生成算法，采用往返行切走刀模式( z i g - z a g ) 得到路径行走轨迹的规 划；提出了抛光路径等距规划算法解决数控等参数线法轨迹过密，影响抛光效率的问题； 针对自由曲面工件曲率半径过小，产生瓶颈干涉，提出了理想线速度控制法避免轨迹规划 干涉。 3 、对m o t o m a n h p 2 0 进行杆件参数的分析，通过运用m a t l a b 的g u i d e 模块建立 运动学仿真控制程序，进行理想姿态控制，验证了文中提出的轨迹规划和运动学算法的正 确性和可行性。 本文对抛光工具在加工过程中的位置姿态控制和抛光作用力的控制进行了具体的研 浙江工业大学硕士学位论文 究，值得积极探索和拓展。同时开发具有姿态控制的多自由度柔性抛光系统能对工业的发 展起到积极的促进作用。 关键词：模具抛光，柔性，姿态控制，无干涉，运动仿真 浙江工业大学硕士学位论文 f l e x i b l ep o l i s h i n gh e a da t t i t u d ec o n t r o l s t u d yo nm u l 月i d e g r e eo ff r e e d o m p o l i s h i n gs y s t e m a b s t r a c t m o l di st h eb a s i ce q u i p m e n ti ne c o n o m i cd e v e l o p m e n ta n di n d i s p e n s a b l et o o li nm a c h i n e b u i l d i n g , c h e m i c a li n d u s t r y , e l e c t r o n i c si n d u s t r ye r e m o l dm a n u f a c t u r i n ga n dd e s i g nl e v e lh a s b e c o m ea ni m p o r t a n ts y m b o lt om e a s u r eac o u n t r y si n d u s t r i a ld e v e l o p m e n tl e v e l p o l i s h i n gi s t h el a s tf i n i s h i n gp r o c e s si nm o l dp r o c e s s i n gw i t ht h em a i no b j e c t i v et or e d u c es u r f a c er o u g h n e s s t h ew o r k i n ge f f i c i e n c yo fm o l dp o l i s h i n gi s g r e a t l yi n c r e a s e dw i t h t h ed e v e l o p m e n to f m u l t i d e g r e eo ff r e e d o mp o l i s h i n gs y s t e m b u tf o ral o n gt i m e ，o n eo ft h ek e yi s s u e sw h i c h p e r p l e xt h eb r e a k t h r o u g ho nt h es u b s t a n t i v ee f f e c to nm u l t i d e g r e eo ff r e e d o mp o l i s h i n gs y s t e m a r et h el o c a t i o na t t i t u d ec o n t r o la n dp o l i s h i n gf o r c ec o n t r o lo fp o l i s h i n gt o o ld u r i n gp o l i s h i n g i no r d e rt os o l v et h i sp r o b l e m ，i nt h i st h e s i s ，t h ei d e a la t t i t u d ec o n t r o lp a r a m e t e r sa n di d e a l l i n es p e e dw e r eo b t a i n e di nt h ef l e x i b l ep o l i s h i n gp r o c e s sb ys t u d yo nt h ek e yp a r a m e t e r so ft h e p o l i s h i n gr e m o v a l m o d e lw i t ht h ec o m b i n a t i o no fe x p e r i m e n t a ld a t aa n a l y s i s t h e i n t e r f e r e n c e - f r e ep o l i s h i n gm a t h e m a t i c a lm o d e lw a sa l s oe s t a b l i s h e d b a s e do nt h i s ，a na t t i t u d e c o n t r o la l g o r i t h m sf o rp o l i s h i n gt o o lw a sp r o p o s e di no r d e rt om a k es u r et h a tt h ep o l i s h i n g p a r a m e t e r so fe a c hc o n t a c tp o i n to nf r e e f o r ms u r f a c e sw o r k p i e c ew e r es a m ei nt h ep o l i s h i n g p r o c e s s t h ec o n t r o la l g o r i t h m sf o ri d e a la t t i t u d ep o l i s h i n gh e a dw e r er e a l i z e do ni n d u s t r i a lr o b o t m o t o m a n h p 2 0 t h em a i nr e s e a r c hc o n t e n t sa r el i s t e di nt h ef o l l o w e d ： 1 af r e e f o r ms u r f a c ep o l i s h i n gm o d e lw a se s t a b l i s h e db a s e do ni n d e p t hs t u d yo fe q u a t i o n p r e s t o n ，t h e nt h em a t h e m a t i c a lm o d e lo ft h e o r e t i c a lr e m o v a if u n c t i o nw a so b t a i n e di n t h i s e x p e r i m e n t t h ei d e a lc o n t r o lp a r a m e t e r sw e r eo b t a i n e dt h r o u g hs e r i e so fa t t i t u d ec o n t r o l p a r a m e t e r se x p e r i m e n t s 2 t h ei d e a la t t i t u d ec o n t r o la l g o r i t h m sw e r er e a l i z e do ni n d u s t r i a lr o b o tm o t o m a n h p 2 0 浙江工业大学硕士学位论文 t h ep a t ht r a j e c t o r yw a sp l a n n e du s e dd e f a u l tc n c m a c h i n i n g t o o lp a t hg e n e r a t i o na l g o r i t h mo n s o f t w a r ep r o ea d o p tz i g z a gm o d e ；p a t he q u i d i s t a n tp l a n n i n ga l g o r i t h mw a sp r o p o s e di no r d e r t os o l v et h ep r o b l e m ss u c ha st r a j e c t o r yt o od e n s eo fn u m e r i c a lc o n t r o li s o l i n em e t h o d ，w h i c h i m p a c t st h ep o l i s h i n ge f f i c i e n c y ；i d e a ll i n e a rs p e e dc o n t r o lm e t h o dw a sa l s op r o p o s e dt oa v o i d b o t t l e n e c ki n t e r f e r e n c ei nt r a j e c t o r yp l a n n i n gw h i c hc a u s e db ys m a l lr a d i u so fc u r v a t u r eo n w o r k p i e c ef le es u r f a c e 3 p o l ep a r a m e t e r so fm o t o m a n h p 2 0w e r ea n a l y s e d a n dt h ec o r r e c t n e s sa n df e a s i b i l i t yo f t r a j e c t o r yp l a n n i n ga l g o r i t h ma n dk i n e m a t i c sa l g o r i t h mw e r ev e r i f i e dt h r o u g hi d e a l a t t i t u d e c o n t r o ls i m u l a t i o np r o g r a mu s i n gg u i d ek i n e m a t i c sm o d u l eo fm a t l a b i n t h i st h e s i s ，l o c a t i o na t t i t u d ec o n t r o la n dp o l i s h i n gf o r c ec o n t r o lo fp o l i s h i n gt o o ld u r i n g p o l i s h i n gw e r er e s e a r c h e di nd e t a i lw h i c hw o r t ht oa c t i v e l ye x p l o r ea n de x p a n di nt h ef u t u r e a t t h es a m et i m e ，t h ed e v e l o p m e n to fm u l t i d e g r e eo ff r e e d o mf l e x i b l ep o l i s h i n gs y s t e mb a s e do n a t t i t u d ec o n t r o lp l a y e dap o s i t i v ep r o m o t i n gr o l eo ni n d u s t r yd e v e l o p m e n t k e yw o r d s ：m o l dp o l i s h i n g ，f l e x i b l e ，a t t i t u d ec o n t r o l ，i n t e r f e r e n c e f r e e ，s p o r t ss i m u l a t i o n 浙江工业大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所提交的学位论文是本人在导师的指导下，独立进行研究工作 所取得的研究成果。除文中已经加以标注引用的内容外，本论文不包含其他个人或 集体已经发表或撰写过的研究成果，也不含为获得浙江工业大学或其它教育机构的 学位证书而使用过的材料。对本文的研究作出重要贡献的个人和集体，均已在文中 以明确方式标明。本人承担本声明的法律责任。 作者签名：绷跌 吼咋厂月万日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留 并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本 人授权浙江工业大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 1 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密囱。 ( 请在以上相应方框内打“巾) 作者签名： 导师签名： 弧阀纸 坼匕 日期：矽乍 醐：叩 s 其7 箩日 厂月棚 浙江工业大学硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 课题的来源与研究背景 1 1 1 课题的来源 本课题来源于： ( 1 ) 国家自然科学基金：非一致曲率接触变形下的磨粒场形态与模具曲面的气囊抛 光机理研究( 编号：5 0 5 7 5 2 0 8 ) ； ( 2 ) 浙江省自然科学基金：模具自由曲面的气囊抛光机理及过程数字控制方法研究 ( 编号：m 5 0 3 0 9 9 ) ； ( 3 ) 浙江省科技厅重点科研工业资助项目：模具自由曲面新型气囊抛光技术及装备 的研究与开发( 编号：2 0 0 6 c 2 1 0 4 1 ) 。 1 1 2 模具工业的发展现状 模具是社会经济发展中的基础设备，在机械制造、化工、电子电工等行业中都是必不 可少的工具。模具的设计制造水平已经成为衡量一个国家工业发展水平的重要标志。近年 来制造业的迅猛发展，对于模具的设计制造要求越来越高。而模具型腔的6 5 为曲面，其 中4 0 又为自由曲面【1 捌。自由曲面模具不仅可以缩小系统的空间结构，减轻系统的重量， 同时也有利于提高系统的质量。因此小到一般的家用设备，大到各种尖端科学技术领域， 自由曲面模具都有着广泛的应用。 欧美国家利用先进的生产技术和管理经验，生产大型、复杂、精密的模具，对汽车、 家电、通讯工具等模具产业的发展起了重要的推动作用。日本一些知名的大公司，如东芝、 富士、丰田等都采用c n c 机床缩短模具的制造周期，先后建立自己的c a d c a m 系统， 并应用于复杂曲面模具的设计和制造。伴随着上世纪8 0 年代后计算机软硬件技术的飞速 发展，模具自动化生产向着更高层次拓展。近年来，我国的模具工业迅速发展，特别是汽 车工业、家用电器、电子产品的发展给模具工业提供了巨大的动力，但是在大型、复杂、 精密、耐用模具领域与国外先进国家还存在着较大的差距。 金属模具业相对于塑料模具业有较长的历史，但在应用3 d c a d c a m 的技术上则较 浙江工业大学硕士学位论文 晚。两者的起步点约源于上世纪8 0 年代的2 d 平台，在过去二十年间，塑料模具已顺利从2 d 设计全面步入3 d 化，至今，图纸自动生成、立体刀路切削和完整物料清单连结到企业信息 化系统都一一实现【3 】。 当前，中国塑料模具业的产值是居全球首位的，然而金属模具业大多仍继续使用2 d 软 件进行设计。相反，在过去数十年间，欧美各国对金属制造业十分重视，除了民用消费品 以外，军械、机电、医疗、汽车及航天用的金属制品及相关的模具业，各国都积极保护。 为此，他们投入人力及资源来改善生产力，在过去数年，能源和金属材料的涨价，也加快 了各大厂家应用3 d 技术来优化金属制品的生产的步伐。 1 1 3 多自由度抛光系统的发展 本文针对的金属抛光模具大多具有自由曲面的特点，自由曲面是一种复杂的、不规则 的、非回转的曲面，一般很难用精确的数学方程等描述【4 】。目前自由曲面模具的抛光过程 主要由手工操作完成，一来可以自主定位；二来手工操作可以对抛光效果进行实时监控， 以便及时调整抛光策略，但是这对工人的技术要求非常高，而且曲面的质量稳定性难以得 到保证。同时抛光加工时间占模具开发周期的3 5 - - 一5 0 5 , 6 】，既费时又费力，因此发展多 自由度自动抛光系统成为提高抛光效率，缩短模具开发周期的关键。 日本、美国、法国、德国等早在2 0 世纪8 0 年代就已开始进行模具自动化抛光系统的 研究，并相继推出了模具自动抛光专用加工机床【7 1 。但是这类抛光机床由于自由度比较少， 很难实现自由曲面多方向的精确定位。工业机器人和机械手的出现，为模具自由曲面抛光 的精确定位提供了新的装备。一般的机器人都具有5 - 6 个自由关节，而6 个自由关节即可 实现操作空间区域内任意点的精确定位，机器人具有如人类手腕一样的自由活动能力，使 得它非常适合于自动抛光加工。自从1 9 6 2 年美国研制出世界上第一台工业机器人以来， 机器人技术及其产品发展很快，目前已经成为柔性制造系统( f m s ) 、自动化工厂( f a ) 、 计算机集成制造系统( c i m s ) 的最主要的自动化工具。著名的工业机器人公司，包括：瑞 典的a b br o b o t i c s ，日本的f a n u c 、y a s k a w a ，德国的k u k ar o b o t e r ，美国的a d e p t t e c h n o l o g y 、a m e r i c a nr o b o t 、e m e r s o ni n d u s t r i a la u t o m a t i o i l 、s - tr o b o t i c s ，意大利c o m a u ， 英国的a u t o t e c hr o b o t i c s ，加拿大的j c di n t e m m i o n mr o b o t i c s ，以色列的r o b o g r o u pt e k 公司0 1 ，这些公司已经成为其所在地区的支柱性产业。 我国的自动化抛光多为引进国外的先进技术，工业机器人在小工件的模具抛光上起到 了不可替代的作用，高速、高精度多轴数控力n - r _ 中心的引入为大中型模具表面的精加工提 浙江工业大学硕十学位论文 供了强有力的保证，在国内，工业机器人产业刚刚起步，但增长的势头非常强劲。如中国 科学院沈阳自动化所投资组建的新松机器人公司，年利润增长在4 0 左右 8 , 1 1 】。我国从上 世纪8 0 年代开始在高校和科研单位全面开展工业机器人的研究，近2 0 年来取得不少的科 研成果。但是由于没有和企业有机地进行联合，至今仍未形成具有影响力的产品和有规模 的产业。目前国内除了一家以组装为主的中日合资的机器人公司外，具有自主知识产权的 工业机器人尚停留在高校或科研单位组织的零星生产，未能形成气候。近1 0 年来，进口 机器人的价格大幅度降低，对我国工业机器人的发展造成了一定的影响，我国自行制造的 普通工业机器人在价格上根本无法与之竞争。特别是我国在研制机器人的初期，没有同步 发展相应的零部件产业，使得国内企业在生产的机器人过程中，只能依赖配套进口的零部 件，更削弱了我国企业的价格竞争力【8 1 。 1 1 4 多自由度自动抛光系统的关键问题 传统的模具加工中，抛光作为精加工的最后一道工序，主要目的是降低工件表面的粗 糙度，同时在一定程度上去除模具在成型时形成的凹凸层及裂纹层，并修复工件表面的面 型误差，以期获得所要求的形状、尺寸、位置精度和表面粗糙度。 多自由度曲面自动抛光技术在材料的去除率即效率上比起手工加工有了一个质的飞 跃，但是在降低工件表面的粗糙度上并不见的有明显的提高，这成为自由曲面自动化加工 中的一个瓶颈，也是目前研究的一个重点和难点，长期以来，一直困惑多自由度自动抛光 系统取得实质性效果上的突破的关键问题之一就是抛光工具在加工过程中的位置姿态控 制和抛光作用力的控制。多自由度柔性抛光系统中，在抛光工具材料、结构不变的基础上， 保证抛光垫与工件相对线速度和接触区域的作用力、按照预设的路径轨迹与抛光区域进行 物理化学等作用，是保证抛光过程又快又好进行的行之有效的方法。 1 2 影响抛光的因素 整个抛光过程复杂多变，抛光的方法也各式各样，因此影响的因素也很多挖】，围绕这 些因素各国学者做了大量的研究【1 3 】，如日本学者赤松洁等人研究了温度对抛光质量的影 响；还有一些学者分别研究了抛光压力对抛光质量的影响 1 4 15 1 。 浙江- t 业大学硕士学位论文 r 磨料 硬度 厂抛光剂 分散剂l 形状 蓁j 抛光模 o 2 5 m m 3 m i n 。被抛光的工件材料多种多样，如光学玻璃、镀镍铝、 不锈钢、石墨纤维等，适用范围广。 在m p 2 0 0 t t 光机床成功应用的基础上，又相继研制t n t p 3 0 0 、i r p 6 0 0 抛光机床。2 0 0 4 年，m p 6 0 0 抛光机床出现了另外一种形式的f j p 6 抛光机床m l ，用射流代替气囊。该方法 能够提供很小直径的抛光接触区域仁l 邶n ) ，可以抛光模具内部的边角等，非常适合工业 模具的抛光。 在应用磁流变抛光技术方面，q e d t e c h n o l o g i e s i n c 公司致力于m r f 技术的产品化 研究，并重点服务于高糟密光学仪器的抛光与测量。2 0 0 5 年，q e d 公司研制了首台大面 积磁流变抛光机床q 2 2 - 7 5 0 p 2 “l ，图l - 6 为机床工作过程，其具有0 3 7 0m m 与母5 0 姗 两个抛光头，可实现最大7 5 0 x 1 0 0 0 m m 范围内的抛光。 图i - 6q 2 2 - 7 5 0 p 2 工作示意图 国内在多自由度抛光系统产品化的研究与制造上与国外还存在着较大的差距，目前多 为引进国外的先进技术，在应用新技术的研究上多在高校、科研院所等机构开展。 西安工业大学的张峰等人口5 1 根据范成法抛光原理设计研制了f r p 1 型柔性抛光机，并 对非球面进行柔性抛光技术的研究。其研究了工件轴转速、磨头的充气气压、工件曲率等 参数对表面租糙度和材料去除量的影响，给出了各参数与表面粗糙度、材料去除量的关系， 揭示了各影响因素之问的规律。 哈尔滨工业大学的姚英学、高波等人在深八分析英国伦敦光学试验室和z o t ! k o 公司提 出的柔性气囊抛光技术的基础上，研制了气囊式抛光实验样机埘q ( 图i - 7 ) 。该机床为六 轴联动数控抛光机。该机床由工件的进给机构和气囊的进动机构两部分组成，可以提供自 9 浙江工业大学硕士学位论文 由度如下所示：h 轴为气囊的旋转轴；x 和z 轴用来确定气囊和工件的相对位置；a 轴和 b 轴的合成运动形成了气囊的“进动”运动。设计上使抛光气囊球心通过a 轴和b 轴的交 点抛光气囊的球心可当作虚拟的支点，气囊可以简化为绕虚拟支点的运动；c 轴为工件的旋 转主轴。 工停 气鹱 蕊_ n 母 堕一 图1 - 7 哈尔滨丁业大学气囊式抛光实验样机 l4 3 模具自由曲面抛光姿态控制研究现状 针对模具自由曲面多自由度抛光，同时对抛光工具姿态提出控制，目前关于这方面的 研究还不是很多。 早期的研究主要集中在模仿手工抛光轨迹，然后又引入了c a d c a m 进行自动轨迹规 划。上世纪8 0 年代日本学者s a l t o 、m i y o s h i 、j e o n g 在手工抛光的基础上，对机器人 抛光过程中的姿态展开研究删，其研究了切削深度、进给速度、材料去除率、刀具、作用 力、抛光轨迹等对抛光质量的影响。研究结果表明抛光法向力决定了材料去除率，因此合 理设计控制器，保证法向力大小，不仅可以减小工件和工具相对位置误差和工具磨损，还 可以保证接触的稳定性。 d , d v 伽【：r 等人在提出柔性气囊抛光理论的同时，对抛光工具的娶态控制也提出了要 求，为了获得高斯型的抛光去除函数，气囊在自转的同时绕一固定轴进行公转( 称为“进 动”抛光) 。可以获得均匀的抛光表面p 1 ，3 2 j ”。哈尔滨工业大学的张伟、李洪玉等人【”1 在这 一基础上继续拓展，对气囊抛光去除函数进行数值仿真与试验研究，探讨了不同进动角的 抛光去除函数。并且得到如下结论： ( 1 ) 避动，运动抛光的去除函数是近似的高斯分布； ( 2 ) 进动”运动抛光避免了传统抛光运动去除函数中心出现高频峰值的缺点，进动 浙江工业大学硬士学位论文 角越丈去除函数越均匀； ( 3 ) 气囊过程中，压缩量越大去除量越大，但压缩量过大导致中心与抛光边缘去除 量相差也越大。即抛光越不均匀。 上海交通大学的吕恬生、林风云等人l ”州研究了在工业自动化和柔性生产中，如果需 要搬运较重和较大物体，跟踪给定的轨迹，并且保持物体某种姿态，在这种情况下，靠单 个机器人难以胜任，需要双机器人( 机器人和机器人或变位机) 协调操作才能完成。 因此他们提出了一种敢机器人紧协调操作运动规划方法，以满足双机器人紧协调运动 时的姿态和位置精度要求，并采用四元数插补算法来解决两物体姿态插补问题；随后针对 双机器人协调完成有接触的曲线跟踪问题，利用自适应遗传算法对双机器人运动轨迹进行 优化，并针对双机器人协调完成回转型复杂曲面连续抛光问题，对抛光路径进行规划，给 出了一种由抛光路径来生成双机器人加工路径和控制指令的方法：最后采用位置一力修正 补偿方法，将六维力传感器与机器人位置控制相结合，组成力控制系统，来改善协调控制 能力。 盈 抛光jo | l r 礴 陶 - - l 一 吲卜8 浙江r 业 学的机器人抛光系统 浙江工业大学的计时鸣等人嘲为提高模具自由曲面抛光的效率和品质，提出一种基于 柔性抛光理念的新型气囊抛光技术，建立相应的机器人抛光系统如图卜s 所示。 通过抛光试验研究旋转型膨胀气囊抛光工具及抛光过程中各因素对抛光表面粗糙度 的影响。对气囊抛光工具的位姿态控制问题以及抛光工具，以一定下陷深度和倾斜角度与 被抛工件接触时的接触区域的相关特性进行分析。在机器人抛光系统上进行抛光正交试验 i l 尸勘 t 靠， l 浙江工业大学硕士学位论文 和试验数据分析，获取表面粗糙度的不同影响因数的最优参数组合，试验中被抛光曲面平 均表面粗糙度达到了0 0 0 7 9 m 。研究结果表明，气囊抛光技术可实现抛光工具与被抛光工 件的大面积柔性接触，通过气囊内部气压的调节和机器人抛光系统对抛光工具的运动轨迹 和姿态的精确控制，可有效地提升自由曲面抛光的品质和效率。 1 5 本课题的研究意义 现代化的机械制造、化工、电子等行业中涉及的模具一般都为自由曲面模具，其不仅 可以缩小系统的空间结构，减轻系统的重量，同时也有利于提高系统的质量。抛光作为精 加工的最后一道工序，主要目的是降低工件表面的粗糙度，同时在一定程度上去除模具在 成型时形成的凹凸层及裂纹层。 传统的多自由度自动抛光技术在规则型面的加工上有了质的提高，但是对抛光工具在 加工过程中的位置姿态控制和抛光作用力的控制只是提出定性的讨论，没有得出理想的姿 态控制参数，同时也没有进行系统的、综合的姿态控制，因此不是很完善。 多自由度抛光系统柔性抛光头姿态控制的研究，是自动抛光技术的拓展，在实现自动 抛光能够改进抛光效率的同时，通过一系列的实验对比并拮取恰当的控制参数，得出理想 的姿态综合控制参数，对抛光头的位姿提出控制要求，降低了表面粗糙度，极大的提高了 抛光效果。实用性强，值得积极探索和深入研究。开发具有姿态控制的多自由度柔性抛光 系统对工业的发展起到了积极的促进作用。 本课题的主要创新点有： ( 1 ) 以抛光头与工件接触非协调表面为模型，得出自由曲面工件计算等效曲率半径 r ，建立理论的自由曲面去除函数数学模型； ( 2 ) 提出抛光路径等距规划算法，解决等参数线法抛光路径轨迹过密，影响抛光效率 的问题；同时针对工件曲率半径偏小，发生瓶颈干涉的问题，提出理想线速度控制法； ( 3 ) 应用m a t l a b 进行机器人的建模，对机器人的运动学正逆解、轨迹规划以及抛 光头“进动 运动进行仿真分析。 浙江工业大学硕士学位论文 1 6 课题的研究内容和研究方法 多自由度抛光系统柔性抛光头的姿态控制，通过对柔性气囊抛光头的姿态提出控制策 略，使得整个抛光过程能够又快又好的进行。 本文的目标：对抛光过程中的抛光头姿态进行控制，提出控制算法实现理想位置和姿 态控制，并对抛光过程实时监控，最终开发出一套多自由度柔性抛光系统。 本文研究的主要内容有： ( 1 ) 建立自由曲面抛光模型，得出理论去除函数数学模型。并建立机器人自由曲面 抛光系统； ( 2 ) 对机器人m o t o m a n h p 2 0 进行轨迹规划和运动学分析； ( 3 ) 建立m o t o m a n h p 2 0 仿真控制程序。 为完成以上研究内容，本文主要采取了以下的研究方法： ( 1 ) 通过对p r e s t o n 的深入研究，得到影响抛光效果的关键姿态控制参数，结合工件 自由曲面的特性，建立自由曲面理论去除函数数学模型，通过在机器人自由曲面抛光系统 上一系列试验研究，得到姿态控制的理想控制参数； ( 2 ) 在理想控制参数下，得到无干涉抛光轨迹规划路径点数据；对m o t o m a n h p 2 0 机器入进行运动学分析，求出实现控制算法的运动学数学模型； ( 3 ) 运用r o b o t i c st o o l b o x 工具箱，结合m a t l a b 的g u i d e 编程，建立了机器人 m o t o m a n h p 2 0 的运动仿真系统，对运动学正逆解，轨迹规划等进行仿真，并对抛光头“进 动 抛光进行仿真分析。 各章节的内容分配如下： 首先通过对抛光下压量、抛光接触点线速度、抛光姿态角的实验研究，得到在抛光工 具材料、结构不变基础上的理想控制参数；其次根据理想控制参数，建立无干涉抛光路径 轨迹，建立机器人m o t o m a n h p 2 0 理想姿态控制运动学正逆解问题数学模型；随后建立机 器人自由曲面姿态控制运动仿真系统；最后是对全文的总结和展望。 1 7 本章小结 本章研究了本课题成立的背景、意义和目前常用的模具自由曲面柔性抛光方法，通过 研究得到以下结论： 浙江工业大学硕士学位论文 ( 1 ) 从自由曲面模具多自由度抛光系统的发展和研究现状着手，提出目前自动抛光 中存在的主要问题是抛光工具在加工过程中的位置姿态控制和抛光作用力的控 制； ( 2 ) 通过对抛光材料的去除机理的阐述，明确了抛光头姿态控制需要控制的主要参 数； ( 3 ) 在现有研究技术的基础上，提出通过m a t l a b 仿真实现运动姿态控制的方法。 浙江工业大学硕士学位论文 第2 章抛光头姿态对抛光效果的影响分析 在柔性抛光过程中，无论是采用手动抛光还是自动抛光，抛光头总是以一定的姿态进 行作业，并沿着预设的轨迹对模具表面进行加工。操作者可以通过改变姿态来改变抛光头 对模具施加的法向抛光力、抛光头与工件的接触面积和抛光相对速度等。本章将通过在工 业机器人m o t o m a n h p 2 0 上的实验，探讨抛光头的姿态以及其他抛光参数对抛光效果的影 响，并获取合理的姿态和抛光参数。 2 1 表面粗糙度 表面粗糙度上一种微观的几何形状误差。在金属模具的抛光过程中，抛光效率是针对 模具材料去除率，抛光效果针对表面粗糙度，精密的机械制造为了满足工艺的使用要求， 对模具的表面质量提出了较高的要求，因此，抛光过程中研究i j n q - 表面的粗糙度具有实际 意义。 2 1 1“粗糙”的含义 “光滑”和“粗糙”是具有主观性的定性术语。抛光的金属模具表面，用手指触摸时 很光滑，但用光学显微镜可以分辨出突峰和低谷，显然是粗糙的。手指实际上是一个传感 器，在约1c m 的横向长度尺度和约1 0 0p m 的垂直长度尺度上可以分辨出表面粗糙度。光 学显微镜也是一个传感器，它可分辨的横向长度尺度约l “m ，垂直长度尺度约o 1p m 。由 此，传感器分辨率的不同，金属表面的粗糙与光滑的感知也不同。 金属模具的表面粗糙度是工件表面微观几何形状的表征，即加工表面上的微观不平 度。表面粗糙度是引起光散射和工件表面吸收的主要因素，是评价金属模具质量的重要指 标，采用某项技术使被加工工件所能达到的表面粗糙度值是判定该技术是否有实际应用价 值的指标之一。 2 1 2 表面粗糙度的表征 表面粗糙度的可以采用如下的参数来表征： - 1 5 浙江工业大学硕士学位论文 1 、高度参数( 轮廓算术平均偏差r a ，微观不平度十点高度r z ，轮廓最大高度r y ) ； 2 、闻距参数( 轮廓微观不平度的平均间距，轮廓单峰平均间距) ； 3 、综合参数( 轮廓的支承长度率) 。 租糙表面可以写成函数：z = ，k 力，式中：是垂直高度，j 和，是二维平面上的一个 点的坐标，如图2 1 所示： 圈2 - 1 租糙表面示意图 这是一般粗糙度罚量仪器都能得到的。表面由突峰和低谷构成，通常称为表面微凸体 具有不同的横向和垂直尺寸，在表面上呈随机分布。 2 1 3 租箍度测量 通常租糙度在lc m 1 0 岬用触针式轮廓仪来测量，在5 0 0 - 1u m 用光干涉仪测量， 在1 0 0 刚1n m 用扫描隧道显微镜或原子力显微镜测量。这些仪器问长度尺度的重叠可 检验不同技术测量的粗糙度。在金属模具的测量中，一般选用轮廓法测量工件表面粗糙度 的仪器其可以分为以下几类： 浙江工业大学硕士学位论文 图2 - 2 测量租糙度仪器 本实验选用t r 2 1 0 手持式粗糙度仪( 图2 - 3 ) 作为测量工件表面租糙度的仪器。轮廓 顺序转换的接触触针式仪罂是利用触针沿被测表面机械移动过程中通过轮廓信息顺序转 换方法测量表面粗糙度的一种仪器。这种仪器的触针用于在信息转换的过程中描绘被测轮 廓，其具有规定的几何形状，不同的工件表面需要不同的触针进行测量。测量时触针的移 动可以是连续的，也可以是断续的。轮廓的信息是通过触针沿被测表面的移动，逐渐、连 续地转成电信号，然后通过处理得到被测表面的粗糙度参数值。t r 2 0 手持式粗糙度仪即 属于这一类仪器。 目2 - 3t r 2 1 0 手持式粗糙度仪 浙江工业大学硕士学位论文 2 2 接触区域的尺寸分布 n 菱 i 吵。i 岔。 v ( 1 ) z ly z 图2 _ 4 在o 点接触的非协调表面 本文中，工件可以认为是自由曲面，采用初始接触点作为直角坐标系的原点，在此坐 标系中，x y 平面为两表面的公切平面，z 轴沿公法线指向工件，见图2 4 。于是就可以用 如下形式的表达式来近似地表示接触点附近的自由曲面： z i = 4 石2 + 马y 2 + c i 砂+ ( 2 1 ) 4 ，尽为自由曲面方程系数，在此略去x 和y 的更高次项。通过选择x 和y 轴的方 位、x ，和y 。轴，使得x y 项消失，上次可以改写成： 毛2 去彳+ 去y ； 协2 ， 毛2 面彳+ 面y i ( 2 2 ) 式中碍和硝是该自由曲面在原点的主曲率半径，它们是外形的一切可能的截面中曲率 半径最大和最小值。 抛光头与工件间的间隙，可由h = z i 一乞描述，于是可以把工件坐标系与抛光头坐标系 移到共同的x , y 轴坐标系中，可得： 1 j 一 2 哪 “ + 1 砂 +如一一办 浙江工业大学硕士学位论文 h=ax2牟by2(2-4) 文献 5 6 给出了证明： 爿+ 曰= 三( 专+ 专) = 圭( 去+ j l i + j l i + i 1 ) c 2 5 ， b 一彳= 三 ( 去一击) 2 + ( 走一去 2 + 2 ( 去一击 ( 专一专) c 。s 2 口r ( 2 6 ， 式( 2 6 ) 中口为x l 轴和x 2 轴的夹角，在此即为抛光姿态角，计算式( 2 5 、2 - 6 ) ，可 以得到a = 1 2 r ，b = 1 2 r 。，代入式( 2 - 4 ) 得到下式。 五= 血2 + 缈2 = 去冉去y 2 ( 2 _ 7 ) 由此引入一个等效半径咒，通过计算可得： 1 疋= ( 尺r 。) 2 = 寺( 彳b ) 1 陀 ( 2 8 ) 若自由曲面为球面，r = r ，那么等效半径r = r ，r 为球面半径，因此，在自由曲 面的工件进行抛光时，可以用等效半径足作为工件曲率半径进行计算。 2 3自由曲面抛光模型的建立 气囊抛光是柔性的抛光方法，在材料去除机理上与传统抛光方法存在着许多相似之 处，同时又有自己的特征，因此建立自由曲面的抛光模型可以更好的预测材料的去除，控 制抛光过程，调节抛光头姿态。根据自由曲面接触区域的几何描述，假定气囊抛光接触区 域为一等效圆，依据普雷斯顿方程，通过研究气囊与工件表面在抛光区内的相对运动速度 和压力分布规律，建立了气囊抛光过程中材料去除模型。 抛光头与自由曲面接触时情形见图2 5 ： 浙江_ t 业大学硕士学位论文 图2 - 5 抛光头与自由曲面接触模型 圈2 5 中球形气囊的圆心为0 ：抛光头与自由曲面接触区域中心点为t ( 刀触点) 坐标 为，和y ：抛光头旋转主轴与刀触点t 的法线夹角为抛光姿态角卢；点。与t z 间的直线距 离为l ；抛光头顶点p 称为刀位点，抛光气囊与自由曲面的接触面远小于工件尺寸，为分析 方便，这里将此接触面近似为圆，s 为该接触圆直径。 文献【5 5 】得出抛光头与平面工件接触的数学模型本文经过讨论分析，推导得出了抛 光头与自由曲面工件接触的致学模型，如图2 - 6 所示。 图2 - 6 抛光头与自由曲面接触计算模型 令图2 - 6 中a a i 段为a ，o a i 段为b ，由此可得： 。 一栉 浙江工业大学硕士学位论文 求解可得： a 2 + b 2 = r 2 a 2 + ( 6 + ，l 一灭+ 日) 2 = r 2 6 ：1 2 二窒二! ! 二墨丝! ： 2 ( 厂一尺+ ) 结合抛光头与自由曲面接触模型，得到： s = 2 ( 2 - 9 ) ( 2 - 1 0 ) ( 2 - 1 1 ) ( 2 - 1 2 ) ( 2 - 1 3 ) 杉= r 2 r h + h 2 万卜多 协 式中：r 为橡胶气囊的半径；，为自由曲面工件接触点曲率半径；h 为抛光头下压量，在 压缩空气压力一定的情况下，日越大，抛光压力越大；形为抛光头接触点的线速度；g o 为 抛光头主轴的转速。根据h e r z i a n 接触理论，在抛光过程中，抛光气囊与工件接触圆内的 抛光压力分布为： p ( x ，y ) = 万4 k h 式中：k 是柔性抛光头的弹性系数。 ( 2 - 1 5 ) 将式( 2 1 4 ) 、( 2 1 5 ) 代入抛光材料p r e s t o n 去除模型譬= k p xp v ，得出理论的去 “ 除量数学模型为： h = l k p 吾4 k h 卜舞尚卜触 式中抛光头下陷深度日和圆形接触区域的直径s 可通过实验测量获得，接触切点处的线速 度形通过式( 2 1 4 ) 计算得到。 浙江工业大学硕士学位论文 2 a 抛光实验 2 4 1 实验条件 采用工业机器人m o t o m a n - h p 2 0 的抛光实验如图2 _ 7 所示。 ，汹 孽画 嬉 瓠 直流稳乐电源2 堆制系统3 气囊抛光i 具4 旋转1 ：作台 削2 - 7 机器人抛光系统装置 所采用的柔性抛光装置为球形抛光气囊，球径4 0 m m ；球内充气压力为0 5 m p a ；表面 覆盖s u b a 4 0 0 抛光布：采用w | 4 金刚石研磨膏；工件材料为4 5 号钢，表面原始粗糙度 为0 8i i 玎基于文献的介绍和前期的试验验证试验参数为：抛光头下压量日取值范围为 0 l 加6n l m ，抛光姿态角芦取值范围为2 0 。一2 5 。，抛光时间为扣1 0 r a i n 。 2 4 2 抛光头姿态对抛光效果影响正交试验 l 正交试验法 通过抛光头姿态控制原理分析可以发现抛光头姿态对抛光效果的主要影响因素有三 个：抛光头主轴转速、气囊下压量和抛光姿态角同时抛光时间对工件粗糙度