末端传动件箱体钻10孔及其工装设计三维、二维、等所有文件
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毕 业 设 计 任 务 书（理工） 学院机械工程学院学生姓名专业机械制造及其自动化班级机制1202学号指导教师职 称教授 课题名称末端传动件箱体钻10孔机械式组合钻床及其工装设计起止日期自2016年2月28日起至2016 年6月26日一、课题来源、目的与要求：该课题来源于五征集团山拖农机有限公司,该厂研制成功系列拖拉机，量大，其中末端传动件箱体零件需要设计专用组合钻床,或购买专用设备成本太高也不经济，达到降低劳动强度,提高劳动生产率,提高原材料利用率,从而可提高加工效率和产品的质量，创造良好的社会效益和经济效益。可设计液压式或机械式滑台，用机械传动、电器控制机床，提高加工精度和加工效率，提高材料利用率低，降低制造成本，降低劳动强度。二、主要设计内容：1: 翻译5000个英文字符的相关专业的英文资料,资料和译文分别装订,译文用A4纸打印,锻炼查阅翻译外文资料的能力。2：机械部分设计 （1）专用组合钻床尺寸联系图一张，0号图纸。（2）专用组合钻床刀具布置图一张，0号图纸。（3）工序尺寸图一张，1号图纸。（4）专用夹具装配图一张，0号图纸。 （5）画几个主要零件图一套,1号图纸。（6）计算机画装配图或零件图1套，并打印。（7）画出机床及其夹具组成三维模拟图 3: 电气部分设计原理图一张，0号图纸: （1）完成机床电气控制、液压或机械电气控制原理图设计，论文中论述控制机床强电控制设计。 （2）了解液压系统安装原理图设计。 （3）液压系统电气原理图。 4: 设计计算部分： （1）机械系统设计计算。 （2）电气系统设计。 （3）切削力设计计算，选择主电机。 （4）系统模拟调试。 5: 按毕业设计论文撰写要求写出论文，其中有生产率计算。 6：按4号图纸存档写出总目录，叠好图纸，存入毕业设计袋。三、主要设计技术指标与参数： 1生产纲领：60000台/年。要求液压式，机械式滑台都要了解。2. 切削用量选择？ 3劳动生产率？ 4加工精度和粗糙度按图纸要求四、分阶段指导性进度计划：12月29号3月1号：熟悉课题，查阅资料，翻译外文资料，学会查阅资料的方法，熟悉做课题需要的基础知识，初步熟悉毕业设计课题。23月2号3月31号：继续查资料，优化方案，外出到相关企业实习，撰写开题报告，各位同学讲解收获、讲解自己的方案、同学们互相交流，互相了解课题内容，完善课题，完善总体方案，针对问题再到工厂参观实习，最终完善方案，举行开题报告会。34月1号4月20号：完成课题机械部分设计计算：完成机床尺寸联系图、刀具布置图，加工工序尺寸图，机械传动三维模拟图，零件图设计、完成至少一张计算机绘图设计。4. 4月21号4月30号：完成电气控制、液压控制强电设计计算。55月1号5月25号：完成夹具总装图绘图设计。65月26号6月5号：继续完善机械部分绘图设计，进行电气控制、液压控制强电设计，并做出实验，教师答疑指导，做出设计计算方案。76月6号6月20号：完成撰写毕业设计论文，整理资料，准备答辩。86月21号6月26号：毕业设计论文答辩，完善修改设计。五、指导教师提供主要参考文献资料（其他大量参考文献同学查阅，论文中列出）：1谢家瀛.组合机床简明设计手册.北京：机械工业出版社，19942艾兴、肖诗钢.切削用量手册.北京:机械工业出版社,19863机械手册编委会.机械设计手册.北京.机械工业出版社,20044郑文纬、吴克坚.机械原理（第七版）.北京：高等教育出版社，19975濮良贵、纪名刚.机械设计（第八版）.北京：高等教育出版社，20016洪家娣、李明、黄兴元.机械设计指导.南昌：江西高校出版社，20015赵庆志 用一个传感器协调数控牛头刨床的运动 现代机械 2001年1期指导教师（签字）： 2016年 月 日系主任（签字）： 2016 年 月 日注：本表由指导教师填写，经系主任审定后下发学生。3毕业设计开题报告（理工类）设计题目末端传动件箱体钻10孔及其工装设计学生姓名学号专业机械设计制造及自动化一、课题的目的意义：该课题的主要目的是设计专用组合钻床来钻末端传动件箱体钻10孔，实现一次性完成对加工，降低劳动强度，提高劳动生产率，提高机床的利用率，从而提高加工效率和零件的质量，创造良好的社会效益和经济效益。通过毕业设计可以对自己所学的专业知识有个综合行性的汇总和应用，在设计过程中培养自己调查研究，资料检索，独立思考问题的能力。为毕业之后进入社会打下坚实的基础。二、近年来国内外研究现状： 经过40年的快速发展，我国的汽车工业整体水平已经有了较大幅度的提高。随着中国加入WTO，中国经济日益融入世界经济一体化。经济的持续发展，人民收入水平和消费水平不断提高，汽车市场将进入稳步增长期。然而，除极少数合资企业外，我国拖拉机工业产品水平和技术开发能力较为落后。作为汽车重要部件的传动的性能好坏是评价汽车产品的重要指标。末端传动件箱体制造精度和质量严重影响发动机的性能。通过研究专用装备以提高加工质量和效率。三、设计方案的可行性分析和预期目标： 1.经济可行性： 当今汽车也发展迅速，产品批量大。末端传动件箱体加工采用专用设备可以达到提高劳动生产率，降低劳动强度，提高原材料的利用率的目的。2.技术可行性： 由于生产批量大，末端传动件箱体孔加工困难。采用专用钻床孔对提高交工效率和产品质量有很大意义。根据理论及其实际制定的装夹，加工方案。该方案有如下优点：一、专用夹具装夹速度快，该夹具有自动让刀机构可以节约调整刀具的时间。同时采用滑动螺旋机构自动夹紧可以防止由于受力不均匀导致末端传动件箱体变形的情况。二、专用组合钻床一次性钻出同一平面的孔不但精度极高而且装配效率高，设计专用工装很大程度上提高了位置精度。实践证明，采用组合钻床对同一箱体多孔同时加工可以有效的降低产品的生产成本，节约人工费和时间使得利润最大化。3.预期目标： 通过该课题，有针对性的复习专业知识，在本组中相互讨论相互学习不仅学习到了自己所用的专业课知识，同时也学到了本组其他人所覆盖的专业知识。通过对专业知识的综合运用，使我们对机械加工制造所涉及的内容有了更全面的认识，培养作为工程技术人员应具有的独立思考，发现问题解决问题的能力。四、所需要的仪器设备、材料：1、仪器设备：机械输送台、滚子、滚珠丝杆、钻头、钻套、专用夹具、接触器。2、参考资料： 1谢家瀛.组合机床简明设计手册.北京：机械工业出版社，19942艾兴、肖诗钢.切削用量手册.北京:机械工业出版社,19863机械手册编委会.机械设计手册.北京.机械工业出版社,20044郑文纬、吴克坚.机械原理（第七版）.北京：高等教育出版社，19975濮良贵、纪名刚.机械设计（第八版）.北京：高等教育出版社，20016洪家娣、李明、黄兴元.机械设计指导.南昌：江西高校出版社，20015赵庆志 用一个传感器协调数控牛头刨床的运动 现代机械 2001年1期7 组合机床设计 第一册 机械部分 大连组合机床研究所 19763、工件图片五、课题分阶段进度计划：序号起止日期工 作 内 容阶段成果14.74.17熟悉课题，查阅资料，翻译外文资料，制定方案翻译论文，制定方案24.185.1调研实习、优化方案，撰写开题报告撰写开题报告35.25.21完成专用镗床三图一卡及其夹具基本尺寸的计算及计算机绘制装配图绘制图纸45.225.26熟悉变频器的原理及控制方式。制定方案制定变频器控制方案55.276.1完成变频器控制设计图绘制变频器控制图66.26.10撰写毕业论文撰写毕业论文76.116.14整理资料，准备答辩整理资料86.156.16毕业论文答辩毕业答辩指导教师意见： 签字： 2016 年 月 日 机器人与微机结合机制造30(2014)636 2014 结合机械加工和微电机摘要：一种新的综合方法与工业机器人高精度加工提出了。通过结合传统的工业机器人与外部补偿机制,更高带宽的控制工具和工件之间的相对位置。基于模型的反馈控制器的补偿机制,以及一个中档控制架构结合系统开发机器人和补偿机制。在广泛的加工实验,系统性能评估和工件精度达到了量化和比较相应的结果与先进的机械加工方法。结果表明,提出的方法加工提供了更高的精度,改善钢铣削的8倍,所需的过程迫使,从而表现出机器人的位置偏差,意义重大。 & 2014爱思唯尔有限公司保留所有权利。简介: 在过去的几十年里,工业机器人已经成为现代生产制造的一个重要组成部分。传统上,机器人已经被用于非接触式操作,如处理和焊接。只有大约0.6%的世界上工业机器人操作用于加工应用1。这样的应用程序包括铣削和磨削,需要接触操纵和加工工具或工件。机械手和机械加工工具或工件。铣削通常使用专用机床执行,如计算机数控(CNC)的机器,因为他们的高定位精度和刚度。考虑到工业机器人可能提供灵活、高效率加工解决方案,机械加工的效益就增加了。要克服的挑战是实现可接受的精度的加工零件,使制造业基于计算机辅助设计(CAD)规范,尽管机器人关节非线性动力学和相对较低的结构刚度影响实现末端执行器的位置精度(2、3)。本文提出了一个集成的机械加工方法,利用宏观/ 微驱动与传统的机器人和一个外部滑动3 d补偿机制(4、5)。我们提出了一个基于模型的解决方案工具位置控制与补偿机制的原型版本6、7和8的后续改进,非线性动力学的压电式制动焦点。这些论文所提出的控制策略在这里扩展并应用于一个新的补偿机制改进的机械设计,在9。此外,中档控制策略综合宏观/显微操纵器控制设计,然后实现。完整的控制体系结构和机器人单元评估使用实验装置。1.1背景研究了工业机器人的运动控制几十年的发展已经达到了成熟级别(10、11)。机器人的关节通常位置控制中心,笛卡尔末端执行器的位置和姿态估计基于正向运动学关系,即。,没有显式使用工作区感知。虽然某些方法和商业产品提供的机器人制造商存在实现非常高的机器人末端执行器的位置精度的运动在自由空间或在固定负载下,没有完整的方法提出了实现这一动态过程影响末端执行器的力量的存在。位置精度不足加工制造业的工业机器人是一个著名的问题,提出了一个实验调查12。精度公差在制造过程通常在7100m或降低13。这通常不是通过使用传统的工业机器人应用场景需要强大的过程迫使执行所需的任务。机器人的位置精度不足的根本问题的过程迫使是非线性关节动力学,如反弹,摩擦,和非线性刚度的齿轮箱(14 - 16)。这些非线性动力学显著降低机器人的末端执行器的位置精度,因此,加工零件的精度。的反馈控制机器人关节位置通常是基于传感器数据从电机的齿轮箱,而主应用程序的兴趣是手臂支撑位置,因为他们代表实际的工作区位置,如果链接灵活性是被忽视的。在前面的段落中描述的方法相比,该策略提出了包含工作区感知使用6 d位置传感器,结合宏观/ 微驱动。宏观的概念,介绍了驱动器(32、33),连同一个控制架构增加带宽的末端执行器的位置控制。微驱动有一个较大的工作空间,但有一个有限的位置控制带宽。典型值的带宽为工业机械手末端执行器的位置控制在10 - 30赫兹的范围,根据配置12。相比之下,微操作明显拥有更高的带宽,但是几何空间有限。因此,显微操纵器是为了弥补高频位置偏差时产生的铣、微操作本身是无法弥补因其抗干扰性末端执行器的带宽有限。宏观的概念和微驱动操纵者被采纳。滑动机制提出了基于挠曲元素为纳米操作前,如(34、35)。虽然这里的补偿机制被认为是利用机械设计类似的组件,有显著差异。以前的设计是为补偿微纳米加工,而微操作认为本文是专为加工过程与工业机器人,在强大的过程迫使被要求完成指定的任务。1.1.1 先进性 之前增加机器人的位置精度加工方法主要是基于运动学标定19和刚度建模的机械手(2、3、20)。在运动学标定过程,robot-e.g的运动参数。迪纳维特-哈坦伯格参数化24决定用光学测量系统高精度恒定负载连接到机器人末端执行器。在刚度补偿方法,机械手刚度矩阵,在关节空间或在操作空间,确定离线基于实验数据和随后的在线位置补偿是基于测量过程执行的力度。然而,这些方法确实遭受外力刚度(在某种程度上由joint-based刚度模型)和准确的刚度模型的必要性。此外,末端执行器的力传感器数据是必要的相对广泛的测量和建模阶段和在执行加工任务。 其他方法提高位置精度在机械加工过程中是基于传感器数据从高精度3 d或6 d位置测量传感器(25日- 27日),也称为坐标测量机(CMM)。传感器可用于提供末端执行器位置反馈的在线修正。这些方法的主要限制是抑制干扰带宽在机器人机械手末端执行器,而且通信延迟测量的传感器数据和噪声影响实现的性能。由于切削过程中,高频扰动对机器人末端执行器的位置是可以预期的,因此宽带机器人的位置控制是必要的为了达到足够的精度加工零件。另一组方法的准确性提出了增加工业机械手是基于迭代学习控制(ILC)28 - 30。使用手臂支撑位置传感器和动态模型,重复性的机器人运动可以增加迭代的准确性。要指出其中的一些方法应用离线,和需要一个初始实验执行,这样相关的传感器数据可以收集后续的补偿。然而,也提出了ILC的在线方法,看到,例如。31。进一步,先前的ILC在机器人中的应用文献中所描述的情况主要考虑当末端执行器朝着自由空间。这并不适用于加工,所需的过程迫使位置误差的主要来源。与前面描述的方法对位图,本文提出的策略包括工作区感知使用6 d位置传感器,结合宏观/微观驱动。宏观的概念,介绍了驱动器(32、33),连同一个控制架构增加带宽的末端执行器的位置控制。微驱动有一个较大的工作空间,但有一个有限的位置控制带宽。典型值的带宽为工业机械手末端执行器的位置控制在10 - 30赫兹的范围,根据配置12。相比之下微米制造明显拥有更高的频带宽度,但是几何空间有限。因此,微机械手是弥补高频位置偏差时产生的铣、微米制造本身无法弥补因其抗干扰性末端执行器的带宽有限。宏观的概念和微驱动操纵者被采纳。滑动机制提出了基于挠曲元素为纳米操作前,如(34、35)。虽然这里的补偿机制被认为是利用机械设计类似的组件,有显著差异。以前的设计是为补偿微纳米制造,而微米制造认为本文是专为加工过程与工业机器人,在强大的过程迫使被要求完成指定的任务。1.2 解决公式 本研究的目的是开发一个完整的机器人单元设置和一篇综合控制架构,高精度机械加工的目的。机器人单元设计,以及所需的硬件控制器执行和沟通渠道,应定义和试验统计验证。控制系统的设计是基于动态模型。此外,验证了该方法的有效性在工业加工相关加工场景,铣削实验钢应该执行并对结果进行量化和com削减加工结果使用最先进的方法。加工精度的目标是达到最大误差在7100m,应获得的硬材料,如钢铁、所需的过程迫使在哪里更强相比,如：铝。本文研究的长期目标是使人工制作的工业机器人,基于CAD规范,实现机床精度产生的部分。1.3 概要 本文的组织结构如下:机器人单元,系统设置,第二节中描述的通信接口。随后,第三节介绍了开发基于模型的控制器微米制造和控制体系结构的宏观和微米制造系统集成。此外,在第四节提出了建模的结果。此外,结果在钢铣削实验,有或没有在线位置补偿与宏观/ 微操作设置,提出和评估。结果的意义进行了探讨,基于CMM测量工件的几何形状和表面粗糙度测量的,加工的方法是对比状态第5部分的艺术方法。最后,本文在第六节总结和结论。 美国施耐德et al。/机器人和电脑一体机制造30(2014)636 - 20142. 系统拓展 在本节中,提出了机器人的系统拓扑结构单元。此外,通信接口和不同的硬件组件的执行方面调查。两个不同的单元配置可以考虑机械加工。首先,机器人可以携带主轴,而工作部分是连接到一个固定的基地。在这个配置中,机器人得益于其庞大的工作空间,可以机器大型工件。在第二个配置中,机器人将工件,而主轴在细胞中的定位。这个设置是适合更小、更轻的工件,工件几何形状和质量受限于工作区和机器人的负载。此外,第二个配置还可以让机器人执行处理操作,促进集成自动化生产线。的研究,介绍本文第二个配置选择,因此,主轴在微米制造和工作举行的机器人。这是出于微米制造的重量一起加工主轴。图1显示了发达的加工单元,包含一个工业机器人,微米制造,光学跟踪系统6 ,加工主轴和CNC控制器。3. 2.1.机械加工单元在这里,不同的硬件组件的加工单元及其特点详细描述。2.1.1。机器人和CNC控制器 细胞是一个库卡机器人的基础工业机器人模型KR12536。机器人的关节位置控制使用Beckhoff TwinCAT CNC控制器37。基于机器人的运动学,笛卡尔末端执行器控制可以实现。与传统的机器人控制器相比,CNC控制器提供了几个优势。首先,路径规划算法- rithms加工任务的优化,是可用的。第二,从一个实现的观点来看,大多数资源如此更功能是开放高速接口,使在线位置和姿态修正基于外部传感器数据。实现了机器人控制器上执行一个可编程序逻辑控制器(PLC)。集成的Codesys PLC编程环境为并提供了更多的可能性,复杂的控制器结构,如架构提出了研究。图1所示。开发机器人高精度机械加工单元,包括微操作和光学跟踪系统。2.1.2微操作 准确的定位和高驱动带宽高相比,机器人末端执行器的带宽是关键特性设计的外部补偿机制,即。微操作,机器人加工32。目标是使用微操作保持工具和工件之间的相对位置根据指定的参考。微制造r原型与三个平移轴,一个串行结构,使位置补偿在笛卡儿坐标系统中,曾提出(4、5)。轴是由压电式制动器和设计结合固体国家挠曲元素增加补偿范围,相比压电式制动器扩展。压电式制动器从电压适用于扩展提供了一个高带宽,并能处理30 kN力量。因此,微操作可以承受的过程迫使预期加工任务。应用程序的过程迫使目标提出了机器人单元的1000 n .力量取决于加工过程类型、工件材料、切截深度和饲料velo城市。选择固态关节的主要好处是缺乏反弹和摩擦,这对测微定位精度是至关重要的。的最大扩展的压电致动器不同的轴100 - 180m和每个轴的齿轮传动比是4点和5点之间,导致最大补偿范围约为0.5毫米沿着笛卡尔驱动轴。微操作的修改设计,包括一个平行的驱动原理,展示了改进的动态属性机制显著9。特别是,由于减少末端执行器的质量和固态曲的修改几何元素,实现更高的带宽。照片的机制和驱动轴的机械设计是显示在图2。这个版本的微操作用于所有实验提出了基于宏观/ 微驱动在线补偿。微操作配备两套传感器用于控制目的。综合应变仪测量传感器在压电执行器的扩展各自的执行机构。此外,末端执行器的3 d位置板使用三个电容传感器测量,每个决定了dis -例如固体立方体连接到轴的末端执行器安装,沿着各自的轴。图2所示。修改设计的微操作并行驱动,笛卡尔驱动坐标系统显示为红色。加工主轴,单位领导的工具和附加光学跟踪,是安装在微型机械手末端执行器。(解释引用的颜色在这个图标题,读者被称为web版本的这篇文章。) 美国施耐德et al。/机器人和电脑一体机制造30(2014)636 - 20142.1.3.光学跟踪系统 为了获得工作空间位置和姿态是,肯定是一个尼康计量K600光学跟踪系统38被选中,是因为它的高速数据流、大测量体积,可能跟踪位置和姿态的多个simultaneously笛卡尔坐标系统。随着光学测量受到对于面铣削过程中,发出金属芯片,如灰尘,烟雾,坐标系统跟踪使用冗余的发光二极管(led),附加到刚体的跟踪。加工应用程序,一个坐标系与三轴测量单位和领导微操作末端执行器上的一个坐标系测量四个单位领导。的测量频率跟踪系统的配置LED是440 Hz,每个单位领导的绝对精度测量是100m。加工应用程序,一个坐标系与三轴测量单位和领导微操作末端执行器上的一个坐标系测量四个单位领导。的测量频率跟踪系统的配置LED是440 Hz,每个单位领导的绝对精度测量是100m。2.1.4.加工轴铣刀是附加到Jager直升机3300高频加工主轴39,一个集中性的小于2m。主轴转速设置为28 000 r/min,这是合理的,因为事实上高旋转速度降低过程部队和激动人心的固有模式的风险在加工机器人的任务。2.2.通信和控制器执行 访问和时间是该方法的关键微操作和额外的外部传感器和致动器,因为延迟控制单元之间显著降低系统性能,可能导致不稳定。图3显示了相关的控制单元与数模转换器(DAC)和模拟数字转换器(ADC)。对于每个控制单元,执行指定的频率。微机械手控制器是系统上执行dSPACE信号过程唱模型DS110340。闭环控制的机器人需要高速实时接口指定形成共同立场引用,使用CNC控制器提供,参见3.4.1为进一步的细节。4. 方法：在本节中,微操作系统建模和随后提出了基于模型的控制结构。最后,微操作控制器结合宏观机械手控制器使用中档控制策略。3.1.微操作的动态特征 由于固有的谐振特性的机械设计是固态曲元素利用的结果出现在压电式驱动s的非线性动力学,精确定位的控制微操作没有科裕铣削过程扰动下的,是一个具有挑战性的控制问题。3.1.1.非线性动力学在压电式驱动 众所周知,压电式驱动s展览应用输入电压之间的非线性关系和存储位置扩展(第四十一条、第四十二条)。实验进行微操作为了量化对位置精度的影响的非线性动力学压电致动器。实验表明,需要处理的主要非线性迟滞和蠕变杰出人才,enon,后者意味着扩展的压电致动器越来越多的时间常数输入电压。蠕变效应量化是一个近似的各自压电式驱动 0.02m / s。从实验结果的输入电压压电式驱动s是交替线性增加和减少如图4所示。很明显,精确定位的需要积极处理滞后8。此外,实验表明,非线性蠕变板式换热器- nomenon致动器是一个更慢的过程,因此更容易处理。虽然在自然不同,这两种非线性效应可以减少使用高增益反馈,结合积分反馈。3.1.2.频率特性的机械设计 为了描述的频率特性的机械设计微操作,几个频率响应实验已经进行。位置输出的功率谱密度时激动人心的输入压电式驱动s与线性调频信号显示在图5为不同的驱动方向。光谱估计使用韦尔奇的方法43。从控制的角度系统的一个重要属性是第一个自然固有频率校正的位置。有人指出特征三个笛卡尔驱动方向有很大的不同。特别是在有趣的频率范围0 - 150 Hz,自然学的三大动力沿着x轴是可见的,而两个沿轴,沿着z轴且只有一个。第一个本征频率出现在50 - 80赫兹频率范围的所有三个轴。学的位置是很重要的,因为他们限制了最后闭环控制系统可实现带宽。增加带宽超出差阻尼特征频率要求高控制驱动和模型误差的敏感性是显著增加。图3所示。硬件控制单元提出了加工机器人单元,和它们的执行频率。所需的模拟到数字和数字模拟转换表示。 子坐标识别方法被发现导致模型优越适合实验数据。文章的自然学微操作被确定与子空间方法准确率相当高。43相比,时间序列的识别模型。更多细节的系统识别过程中,看到6、7。图4所示。的磁滞特性压电式驱动 微操作的沿着x轴动力学线性的情况下,交替增加和减少,输入振幅的变化。注意滞后的复杂行为,它表现出速度和振幅依赖。3.2 机械模型的设计 为了设计位置控制算法,它是如何出现,之前执行微操作的建模设计。出于以控制为导向 微制造的目的建立建模,本文中选择的方法是考虑黑箱投入产出模型,没有建模的内部机械的关系。此外,分析建模方法是棘手的当前设置,因为没有简单的数学描述的动态固态曲微操作中使用的设计元素。3.2.1基于黑箱模型的鉴定 使用系统辨识方法43、数学mod -艾尔斯描述的动态微操作可以确定。离散时间状态空间模型的创新形式状态向量,y k AR p输出,k是卡尔曼滤波增益矩阵,和e k是一个白噪声序列被认为是。系统模型矩阵S:f;Cg的整数阶识别子坐标标识的使用一个可用的实现方法。使用计算机工具是系统辨识工具箱44在MATLAB和辨识状态空间模型(SMI)工具箱45。特别是N4SID MOESP算法方法46和47被利用。在模型的识别,在卡尔曼滤波增益矩阵K48的最小方差估计模型中的状态也决定基于噪声识别的属性数据。 子坐标识别方法被发现导致模型优越适合实验数据。文章的自然学微操作被确定与子空间方法准确率相当高。43相比,时间序列的识别模型。更多细节的系统识别过程中,看到6、7。3.3微制造的位置控制的位置控制问题微操作分为两个部分。首先,非线性动力学的影响在压电式驱动s需要降低。第二,振动机械设计需要精确的位置控制。选择的控制结构来处理这些挑战下描述。3.3.1内部压电控制回路 的扩展压电式驱动s在微机械手与应变计传感器,用于测量一个内部反馈回路可以被关闭在非线性执行器,从而达到足够微操作控制精度。利用控制器PID控制器的连续时间控制律可以表示,在其最简单的形式,根据在e(t)的区别是参考价值和测量扩展,p和K,K,K d控制器参数被确定为设计过程的一部分。导数的控制器是低通滤波,以减少高频噪声污染-无与伦比的放大信号的应变仪传感器。考虑到微操作-i.e的应用场景。从切割、铣等加工tasks-disturbances过程是可以预期的。PID控制器也必须伴随着一个anti-windup计划49,在处理这个案子时,控制器使饱和执行器。离散化的连续时间控制器(2)为后续实现数字信号处理器是直接50。为了减少压电式驱动s中的非线性动力学的影响,比例增益K p和积分增益K我应该尽可能多的增加,虽然不是导致过高对扰动的敏感性发生在铣削。此外,导数部分非常重要,因为它有助于由滞后与超前补偿系统。另一个显式的基于模型的控制方法结合前馈和反馈被认为是在8,基于广义Prandtl-Ishlinskii模型41。3.3.2.微操作的基于模型的反馈控制 利用状态方程的线性动力学模型,可以为大家设计状态反馈控制回路的三个笛卡尔驱动方向微型 建立。然而,新模型需要确认后关闭压电式驱动s内部反馈控制回路,在那里参考信号的内在的PID控制循环被认为是输入信号。使用这种方法,非线性动力学的影响系统的减少和非线性组件并没有退化线性系统的识别的性能。 状态反馈是一个适当的控制结构对于这类系统,由于阻尼谐振模式的微操作可以介绍合适的控制设计。状态反馈控制系统的控制律(1)可以写成政治反馈增益矩阵m在哪里?n选择,x r k AR n值矢量与参考美国,和u f k AR m是前馈控制信号。设计过程是确定的增益矩阵L线性二次(LQ)最优控制50,它提供了一个合适的参数化之间的权衡衰减共振的系统和控制信号的利用率。 因为所有州的状态方程模型微操作不可以直接测量,一个卡尔曼滤波器48介绍的估计,基于测量位置信号,系统输入和识别模型。Conse quently,提出的控制律是一个线性二次高斯(LQG)控制器。卡尔曼滤波器是组织一样估计州x k和估计输出y k介绍了50。如前所述,卡尔曼滤波增益矩阵K的最小方差估计状态模型中得到的识别过程中,由于噪声模型组件还包括创新模式结构(1),特别是子坐标识别方法提供了卡尔曼滤波。 总结微操作位置控制器上的讨论,提出结构显示如图6。3.4.控制体系结构 建立宏观/ 微操作配置与工业机器人铣削,控制器微操作工具的位置是在pre - vious开发部分。在本节中,机器人控制器,和两个机械手控制器集成使用范围中期控制策略,在3.4.3小节描述。3.4.1.机器人控制器 被跟踪的几何路径计划离线使用适当的计算机辅助制造(CAM)软件。的位置和姿态偏差发生在铣削计算基于光学跟踪系统的测量。方向偏差被微操作完全补偿,而位置偏差被喂以中档控制结构,参见3.4节。3,为后续分离误差在频域中由宏观和微操作s共同分担。测量的位置偏差在铣削在笛卡尔空间中,中档微操作修正计算的控制结构需要转换到关节空间。为了这个目的,雅可比矩阵,表示微分运动学为机器人的末端执行器坐标系使用。假设小位置和姿态修正,笛卡尔偏差西6转换到关节空间使用的逆雅可比矩阵JqAR 6 ?6,它依赖于关节角配置qAR 6日据q是相应的关节角修正的地方。鉴于笛卡尔的预期范围位置修正,小于1毫米,使用雅可比矩阵的近似所(6)可以合理的51。3.4.2.微制造控制器 微操作直接控制和驱动在笛卡尔空间与3.3节中给出的策略。说明了完整的基于模型的解决方案一个轴在图6中,参考价值的r k毫米作为输入和相应的结束效应位置作为输出。参考位置r k毫米为每个驱动轴是由一个中档控制architec真正的描述在接下来的段落。3.4.3.中档控制 正如前面提到的,大约0.5毫米的微操作工作区有限沿着笛卡尔轴,因此,机械手可以达到驱动限制执行先进的铣削时的任务,在强大的过程力量是必需的。因此,灵感来自52的概念,中期测距方法被认为是为了控制宏观和微操作s之间的相对位置。控制方法可以被视为分离的位置误差、跟踪传感器数据的计算,在频域中,让快速微操作处理高频偏差,和相对缓慢微操作处理低频偏差。几个中档控制架构声明被提出,如阀位置控制(VPC)53、54,内模控制(IMC)方法中档55,和一个自适应IMC方法52。摘要VPC控制结构被认为是因其应用广泛存在的文学,和其吸引人的特性的低复杂度和模型不确定性的鲁棒性。 完整的综合宏观/ 微操作闭环控制系统控制,使用VPC architec真正的控制,显示在图7中,C f和C s是控制器,这里选为PI控制器。系统P f(显示在图6)和P s代表了笛卡尔的位置闭环控制系统的微型微操作s,分别。操纵者沿着笛卡尔轴之间的相对位置,测量的光学跟踪系统,与p k r表示,相对位置参考来标示r k,中距离和所需的选点输入和r k m表示。后者是当前设置的选择,微操作应该在其工作范围,为每个驱动轴。的调优指南中提供54是基于一阶模型的所谓lambda-tuning P f和s。这里,然而,微操作动力学模型的三个直角方向范围从2到7,参见4.1节,动态阻尼共振包含几个不佳。即使一个重要阻尼共振的微机械手LQG控制器,实现闭环系统自然不能被描述使用一阶系统。因此,使用调优指南建议在之前参考- ence不会导致令人满意的性能。因此,提出设计过程的参数获得54作为一个起点,并随后使实验统计调优为了获得所需的性能。 图7所示。完整的闭环系统,为每一个笛卡尔驱动轴,铣削的单元,使用中档VPC控制架构。5. 结果 利用的有效性的原型微型建立一维位置补偿加工实验已经证明和验证之前7。然而,在铝加工只是执行过程迫使相比没有显著钢的情况。过程部队,因此微操作位置偏差,增加约3 - 5次钢铣刀铣削铝相比,认为直径铣刀几何和工具。此外,先前的实验进行中档控制体系结构。因此,完整的系统的性能表现在加工应用程序有三个同时驱动补偿轴在一个工业相关的场景。选择一个圆环面铣刀几何,因为这几何被认为适合展示和量化的准确性提出了铣策略,因为它提供了轻松在两个维度测量信息。4.1.模型的微制造 离散时间状态空间模型的形式(1)线性动力学沿着x,y和z轴微操作系统的估计基于实验数据。首先,确定开环系统的模型,随后内压电式驱动控制回路闭合模型识别。4.4.1.SIMO模型的识别 量化的目的之间的交叉耦合驱动轴的微操作识别单输入多输出(极点)模型(1)的结构。实验数据收集时激动人心的压电式驱动s啁啾信号并测量对应- - -荷兰国际集团(ing)笛卡尔末端执行器的位置。模型输入u k是输入电压的致动器,扩展到一个名义上的间隔,和三个输出y k末端执行器的位置。确定模型的波德图9,从数据获得当沿着x轴驱动,提供在图8所示。从模型中,小x轴和z轴之间的交叉耦合可以得出结论,特别是当激动人心的接近自然学的。这可能会导致横向振动驱动方向在加工。对应的波德图单-模型获得驱动沿y和z轴验证z - x轴之间的耦合,而他们表明,y轴是与x轴和z轴。4.1.2.模型识别控制设计 在建模阶段,可以认为是轴解耦,机械设计提供了这样不同的运动轴足够独立。期间的动态表征微操作 SIMO-模型识别在前款规定的,小x轴和z轴之间的交叉耦合被观察到。然而,由于耦合的影响是次要的,分离的假设是在随后的基于模型的控制设计。相反,交叉耦合处理的干扰控制器。因此,控制设计,被认为是对于单变量模型。实验输入输出数据的收集进行以这样一种方式输入u k是输入电压的压电式驱动比例相同的名义对所有轴间隔,而输出y k被定义为笛卡尔微机械手末端执行器的位置,测量的电容传感器。的励磁系统,线性调频信号被选择作为输入。模型订单不同的驱动方向的不同,反映出的数量自然学,参见图5中的功率谱密度。确定模型的轴的订单微操作 7,6和2,x,y,和z轴。模型阶的选择是基于奇异值分析汉克尔矩阵计算识别过程的一部分。标识的波德图模型是图9所示。它指出,有一个良好的对应关系与输出的功率谱密度估计在图5中,当比较的位置自然学的。归一化均方根误差(NRMSE)NRMSE0;100年?%,是衡量模型的适合识别收集的实验数据,有100%表示完整的模型。NRMSE值确定模型在x,y,和z方向是92.8%,88.7%,和96年。0%,分别。这些值表明,捕获的基本动力学微操作识别模型。图8所示。波德图的离散时间状态空间SIMO-模型微操纵国,与轴压电式驱动比例电压作为输入和笛卡尔末端执行器位置作为输出。此外,动态模型被确定与内部的压电致动器控制回路处于关闭状态。自从差异相比,图9中给出的开环模型虽小,模型没有给出封闭的内循环。4.2。实验验证使用第2部分中描述的机器人单元设置,一个圆环面有一个矩形截面的平均直径70毫米和0.5毫米的深度加工全宽,看到Fig.10。一个Holex整体硬质合金铣刀有四个牙齿和使用直径8毫米。此外,进料速度的300毫米/分钟和主轴转速的28 000 r/min。所需的过程迫使这铣的大小约为100 N。因为光学跟踪的主轴和机器人末端效应器,没有润滑和冷却,线可能妨碍视线,是使用。目的评价的方法与以前的方法相比,三种不同配置的设置是考虑和评估:(A)位置控制及 微操作CNC控制l和主轴连接固定在刚性基础。(B)位置控制及 微操作CNC控制器、主轴固定在刚性基础,在线工作空间的位置和姿态修正微操作基于反馈测量结果与光学跟踪系统。(C)完整的设置在第二部分提出,包括宏观和微操作s,光学跟踪系统,中档控制架构。 使用两个单独的纺锤波实验验证的过程中,一个是固定在刚性基础和一个是附加到微操作。在图1的主轴微操作。主轴位置在机器人工作空间安排这样的机器人配置镜像在机器人中心平面的两个设置,为了实现机器人的等效刚度属性,因此类似的加工结果。4.3实验结果 圆环面铣削实验进行的每个设置得了。在这一节中设置的结果提出了C。A和B的结果设置在4.3.2节进一步评估和比较。铣削试验的结果设置C显示在无花果。11和12。图11显示了微操作跟踪的控制性能在代表十秒钟的圆环面铣的一部分,沿着每个x - y和z轴。轴的定义是根据图2,和错误被定义为参考价值之间的差异r k mm送到微操作中档的控制体系结构,见图6,和相应的微操作末端执行器的位置。进一步,相对笛卡尔错误,定义为工具坐标系之间的差异和工件坐标系,计算从测量光学跟踪系统,显示在图12第一20年代的铣削的任务。 作为第一观察,初始瞬态当工具进入工件图12中可以看到大约在1.2 t年代。此外,从x轴的结果,应该注意的是,这个方向对应的面对方向铣工具,见图10,因此正交于加工表面。因此,所需的补偿比在其他两个小笛卡儿的方向。因为工具的对齐,轴和补偿轴,轴铣削过程干扰敏感和结果,低振幅振动。主要执行补偿与微操作沿着y和z轴。参考轴展品低频振荡的振幅相对高,由机器人的力学诱导时线性工作区中。它也指出,机器人力学的影响表现出配置的依赖。然而,微操作有效地补偿振荡,这是不可能与微操作完全消除。考虑到轴的对齐二,三,五的机器人,机器人配置见图1铣削过程中,机器人展品低刚度沿z轴相比,x-y轴。然而,微操作显示良好的跟踪行为,只有小long-itudinal 微操作的振动。4.3.1错误分析 实验结果与设置C使用统计方法进行评估。错误的振幅特征以及相应的频率谱。首先,微操作跟踪的性能被认为是。指图11所示,它可以观察到,微操作展品良好的跟踪行为在所有三个笛卡尔轴。第二,笛卡儿的位置错误的功率谱密度图12了。频率谱显示在图13所示。考虑到微操作由固态曲的机械设计元素,系统的振荡模式的阻尼是具有挑战性的。因此,微操作过程扰动频率附近的敏感特征,频率沿着各自的驱动轴。第一个自然的本征频率微操作,每个驱动direc,瀑布从50到100 Hz,看到第三节。应该注意的功率谱密度图在图13中,然而,一个重要的阻尼共振的获得与基于模型的状态反馈控制器的设计。主要的共振微操作显然是阻尼的控制设计,即使显著峰值约95赫兹可见光谱的错误。微操作特征-频率的敏感性导致加工工具的低振幅振动的振幅10 - 30m,可以观察到数据曲线图在图11。反过来,这些工具振荡导致表面在机加工表面起伏不定。这里的控制设计的限制微操作的机械设计。此外,周期城市,大约30 Hz频率谱可观测到的错误。这个频率低于50 Hz,出现在所有三个笛卡儿的方向,它可以追溯到激发固有模式的机器人,可以验证了模态分析。观察到的峰值。 Fig.12。工具和工件之间的相对位置误差在加工和宏观微操作s(设置C),计算测量的光学跟踪系统。注意,铣显示在这个阴谋的一部分是不一样的在图11。4.3.2.工件几何测量 为了验证和量化铣的结果,获得的工件的加工表面使用测量设置得了。二维轮廓的加工使用Werth CMM模型分析了圆环面Video check HA400,它提供了测量的精度低于0.5m56。通过执行光栅扫描,点云的内部和外圆轮廓被抓获,随后圈相比,所需的参考。最小二乘匹配,assum荷兰国际集团(ing)加性高斯噪声误差,是用于定位CMM测量数据,在当地坐标系统和参考圆相对于彼此,为了使比较。表面测量的结果在图14中的情节设置得了。情节显示计算不同CMM-措施外圆的名义参考圆。周长测量从铣的位置开始和遍历的圆环面铣削方向,见图10。此外,测量内在和轮廓表面测量的CMM可视化和比较的名义圈图15。作为第一观察,它可以指出在图15的位置偏差设置在圆的加工也不是保持不变的。这是一个机器人的局部刚度特性的结果结合过程的改变方向的力量而遍历环形线圈。考虑到性能提升使用设置C A和B的结果设置相比,看到两个次要情节在图14中,上部和100m的几何精度光学跟踪系统使用,7100m的加工精度外圆是一个满意的结果。进一步,当比较圆环面加工的误差和安装C使用设置一个相应的结果或设置B的意义不同的硬件和控制组件的设置可以被识别。一个反馈回路,根据外部传感器数据从在线工件的位置和姿态跟踪,机器人控制器的足够补偿的静态校准错误和低频错误,从而减少误差低于7200m。微机械手,然而,赔偿是必要的高频过程的干扰,减少了误差低于预期的7100m的准确性。4.3.3.表面粗糙度测量CMM测量圆形轮廓的加工工件只能评估实现性能沿y和z轴铣的几何学。然而,在x方向上的性能也直接反映在加工表面。因此,触觉测量系统的模型M400 / SD26玛鲁57为了使用量化的加工错误,面对方向的工具。图16显示了表面粗糙度在每个工件的随机选择25毫米的长度。是指出,表面偏差并不显著的圆形轮廓相比,这可以解释为切削过程动力学。材料的主要部分被在径向铣,因此径向兴奋的工具和工件之间的相互作用更加突出。导致较低的过程迫使这种动态关系,并因此减少工具轴方向的位置偏差。一个有趣的结果是,获得的表面设置B明显比设置一个。这是合理的,这是有关有限补偿的带宽。,位置在面对方向的高频干扰不可能弥补使用这种方法,因为相位滞后,在某种程度上,通信延迟。因此,结果荷兰国际集团(ing)加工表面比用
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