混联机器人机电耦合系统建模及动态精度控制技术基础

Machining accuracy, which is determined by the geometrical error and static/dynamic stiffness, as well as the electromechanical coupling characteristics of the feed system and control quality of the servo loop, is an important performance index of the hybrid robot for metal cutting. The project is carried out based on a hybrid robot with independent intellectual property rights. Regarding to the hybrid robot, especially the feed system, to reveal the effects of inertia, stiffness and damping on the servo closed loop characteristics and dynamic error of multi-axis motion, studies on the electromechanical- rigid-elastic coupling dynamics and main modal parameter extraction method are conducted. Furthermore, to suppress the dynamic trajectory and contour errors in high speed machining, based on an acceleration smoothing design concept, effective strategies are explored through matching the controller parameters and smoothing the joint trajectory. The validity of the proposed theories and strategies are verified by semi-physical simulation and physical prototype experiments. The research findings will lay an important theoretical and technical foundation for improving the dynamic performance and machining accuracy of high-performance hybrid robots for metal processing.

加工精度是金属切削用混联机器人的重要性能指标，除了受到整机几何精度、静动态刚度的影响外，还受到进给系统机电耦合特性和伺服闭环控制品质的影响。本项目以一种具有自主知识产权的混联机器人为对象，研究混联机器人整机特别是进给系统的机电耦合刚-弹动力学建模与主模态提取方法，揭示系统惯性、刚度、阻尼参数对伺服闭环特性及多轴联动动态精度的影响规律，基于加速度平滑设计理念探索通过控制器参数匹配和关节轨迹平滑等手段，有效抑制高速加工时动态轨迹和轮廓误差的策略与方法，并通过半物理仿真和真实物理样机实验，验证所提出理论与方法的有效性。本项目的研究成果将为提高金属加工用高性能混联机器人的动态性能和加工精度奠定重要的理论与技术基础。

加工精度是加工用混联机器人的重要性能指标，不仅受到整机几何精度、静动态刚度的影响，而且与进给系统的机电耦合特性和伺服闭环控制品质密切相关。本项目以提高混联机器人的动态精度为目标，着重开展了机电耦合特性建模与分析、伺服驱动关节的动态误差调控、控制参数优化及轮廓误差调控等研究。主要研究内容包括：（1）将机器人机构学与伺服驱动理论、结构动力学、多体动力学有机结合，借助旋量理论提出了基于集中参数法和子结构法的混联机器人机电耦合动力学建模方法，建立了机电耦合动力学模型，为混联机器人的动态性能分析和动态误差调控奠定了坚实的理论基础。（2）针对混联机器人驱动关节刚度低导致高加减速时的动态误差显著问题，提出了基于动态误差系数法的动态误差建模方法，建立了动态误差的解析模型，揭示了典型控制结构、关键参数对动态误差的作用机制，进而提出了基于串级全闭环控制和基于全状态反馈控制的动态误差调控方法，有效提高了驱动关节的动态输出精度。（3）针对混联机器人大范围运动时进给系统的控制品质和多轴联动特性难以保证的问题，根据动力学理论建立了控制参数与机械系统性能参数之间的数学关系，形成了基于性能匹配的控制参数优化方法；此外，针对混联机器人的半闭环控制策略无法抑制由部件弹性和多轴联动特性引起的末端动态误差问题，提出了考虑位姿耦合的轮廓误差建模方法和基于外部位置检测信息的轮廓误差补偿方法，将高速运动时位置和姿态轮廓误差抑制在±52μm和±9‰度。本项目的研究成果为提高加工用高性能混联机器人的动态性能和加工精度奠定重要的理论与技术基础，同时也为其他伺服控制装备的动态精度调控提供重要借鉴和指导。