基于宏微机构的智能磨抛机器人关键技术研究

Polishing process is the last step of processing which play an important role in the surface quality and accuracy of the product surface. The traditional polishing operation relies mainly on manual operation, not only with low efficiency, low yield but low consistent product. Thus, it is important to study the automation equipment and process to improve product quality and efficiency. In this this study, some of the application basis and key technologies of force control robot for complex surface finishing is discussed. First, a 3-DOF force-control end effector is designed by flexible joint, Halbach array based voice coil motor and force-impedance controller to achieve force-motion hybrid control for the robot system. The system dynamics analysis based on impedance matching of macro-micro structure and force-motion hybrid trajectory planning are employed to reduce the macro-micro coupling effect. In order to enhance the accuracy, the local exponential of product formula and Gaussian process is applied to calibration and error compensation for robot. Finally, in polishing process, the surface classification and its processing parameters and tools are utilized to build the analysis model based on theoretical and experimental study to achieve large complex surface of high precision and high efficiency polishing.

磨抛加工作为产品加工的最后一到工序，对产品的表面质量、面形精度起到至关重要的作用。传统的磨抛作业主要依赖手工操作，不仅效率低、良率低且产品一致性差，因此研究自动化装备与工艺对产品表面质量与加工效率的提升具有重要意义。本项目围绕基于宏微机构力控机器人在复杂曲面磨抛的关键技术开展相关研究。首先针对现有工业机器人缺乏力控功能，难于实现连续接触式操作的难题，通过含柔性铰链3自由度力控末端执行器设计、基于Halbach阵列音圈电机的研制与基于操作空间观测器的力-阻抗控制器设计，实现机器人系统的力-阻抗控制；研究宏微机器人基于阻抗匹配的动态耦合消除方法；研究基于局部指数积公式与高斯过程的误差模型参数辨识方法以进行机器人标定与两段式误差补偿；研究曲面几何特征分类及基于机器人运动控制参数的加工工艺为复杂曲面磨抛加工建立理论与实验结合的模型；最后通过系统集成与实验验证实现大型复杂曲面的高精度高效率磨抛加工。

磨抛加工作为产品加工的最后一到工序，对产品的表面质量、面形精度起到至关重要的作用。传统的磨抛作业主要依赖手工操作，不仅效率低而且产品一致性差，因此研究自动化装备与工艺对产品表面质量与加工效率的提升具有重要意义。本项目围绕基于宏微机器人在复杂曲面磨抛的关键技术开展相关研究。首先针对现有工业机器人缺乏力控功能，难于实现连续接触式操作的难题，设计了基于3PPS并联机构的末端执行器，实现了无奇异的±12°×±12°×25mm的工作空间，并且姿态重复度和位置重复度分别能够达到0.0089°和28.4 μm，能够适应机器人在复杂曲面上的磨抛要求。针对磨抛力控制问题，提出了基于双力传感器的解耦控制方法，该方法规避了动力学参数辨识，轨迹力误差/力幅能够控制在2%以内。针对磨抛工艺参数优化问题，提出了一种磨抛表面粗糙度建模方法，通过正交实验进行了参数辨识，使得工件表面粗糙度基本维持在0.1um以下。针对磨抛机器人定位精度问题，提出了一种分级标定策略，该策略由基于局部指数积的运动学标定、基于刚度模型的关节刚度辨识和基于数据驱动的高斯过程回归三部分构成。该标定策略能够使得机械臂在重载情况下位置定位精度达到0.11mm左右，方向定位精度达到0.011°左右。最后通过系统集成与实验验证实现大型复杂曲面的高精度高效率磨抛加工。