砂带磨削机器人的灵活性分析与优化_王伟VIP免费

第32卷第1期2010年1月机器人ROBOTVol.32,No.1Jan.,2010文章编号：1002-0446(2010)-01-0048-07砂带磨削机器人的灵活性分析与优化王伟，贠超（北京航空航天大学机器人研究所，北京100191）摘要：总结了磨削机器人的当前发展和阻碍砂带磨削机器人广泛应用的难点．根据复杂曲面磨削任务对机器人的实际要求，提出了一种磨削机器人构型．这种机器人属于PPPRRR构型，具有很高的定位精度和结构刚度．利用旋量理论中的指数积公式推导了该机器人的运动学正反解．引入了模拟退火算法，分析获得了相对于末端坐标系描述的砂带磨削机器人的灵活磨削空间，并绘制了灵活磨削空间的横截面图谱．进一步，采用模式搜索法，优化了磨削机接触轮相对于机器人基坐标系的位移偏移量，获得了最大的灵活磨削空间体积，提高了机器人砂带磨削系统的灵活性．关键词：砂带磨削机器人；旋量理论；灵活磨削空间；模拟退火算法；模式搜索法中图分类号：TP242.3文献标识码：BDexterityAnalysisandOptimizationofBeltGrindingRobotWANGWei，YUNChao(RoboticsInstitute,BeihangUniversity,Beijing100191,China)Abstract:Thecurrentdevelopmentsandmajorstumblingblocksthatpreventwidespreaduseofbeltgrindingrobotareconcluded.Basedontherequirementsofthecomplexsurfacegrindingtask,anewtypeofgrindingrobot,PPPRRR,isproposed.Therobotictypefeaturesitshighaccuracyandhighstructuralstiffness.Productofexponentialsformulaintwisttheoryisusedtoderivethekinematicalandinversekinematicalequationsofthebeltgrindingrobot.Simulatedannealingalgorithmisusedtoanalyzethedexterousgrindingworkspacewithrespecttothecoordinatesystemofendeffector,andthecrosssectiondrawingsofthedexterousgrindingspacearedrawn.Furthermore,thebeltgrinder’spositionwithrespecttotherobotbaseisoptimizedwiththepatternsearchmethodtoobtainthemaximumvolumeofthedexterousgrindingworkspace,whichimprovesthedexterityoftheroboticbeltgrindingsystem.Keywords:beltgrindingrobot;twisttheory;dexterousgrindingworkspace;simulatedannealingalgorithm;patternsearchmethod1引言（Introduction）磨削是机加工产品的最终工序之一，占据了整个产品加工成本的20%～25%[1]．砂带磨削几乎能用于加工所有的工程材料，在先进制造技术领域有着“万能磨削”和“冷态磨削”之称．砂带磨削已成为与砂轮磨削同等重要的加工手段[2-4]．20世纪80年代以来，机器人磨削加工系统一般是在机器人末端安装高速旋转的砂轮，工件固定不动，机器人控制器按照工件的CAD模型离线规划机器人的刀位路径，完成期望的复杂曲面磨削加工．Whitney和Brown利用通用工业机器人建立机器人砂轮磨削系统的静力学和动力学模型[5]．Persoons和Vanherck建立了机器人砂轮磨削系统，引入了多维力传感器，证明了材料去除率与磨削接触力成正比，这个结论与经典磨床加工是一致的[6]．但是这些模型和结论都建立在磨削工具的刚度很大的前提条件下．而机器人砂带磨削系统的接触刚度和定位精度远远小于砂轮磨床[7]，加工精度低，仅适用于大工件低精度软材质场合．文[8]采用5自由度机器人打磨复杂曲面，简易砂带磨头安装在机器人末端，工件安装在拥有一个回转自由度的变位机上．Huang使用YamahaZ(Ⅱ)机器人实施航空叶片的修复，工件由机器人夹持，砂带磨削机作为去除材料的磨削工具[9]．机器人夹持工件移动、工具相对机器人基坐标系固定的拓扑结构因扩展性和可优化性较好而得到业界的认可[1]，取代了早期的工具主动磨削方式．砂带磨削越来越多地应用在机器人磨削系统中．机器基金项目：国家863计划资助项目（2007AA04Z2443）．通讯作者：王伟，jwwx@me.buaa.edu.cn收稿／录用／修回：2009-02-23/2009-04-20/2009-10-2248第32卷第1期王伟等：砂带磨削机器人的灵活性分析与优化49人砂带磨削系统由高精度磨削机器人、砂带磨削机、抛光机、在线三维测量与标定等主要子系统组成，当前典型的通用机器人砂带磨削系统如图1所示．图1通用机器人砂带磨削系统Fig.1Universalroboticbelt...