末端执行器压脚气动伺服控制系统设计研究

摘要

机器人自动制孔系统因其高效灵活和可靠性，在飞机壁板柔性制孔领域得到广泛的研究和应用。末端执行器作为机器人制孔加工的核心设备，它的研制开发是发展机器人自动制孔系统的关键，而压脚机构的设计和控制是制约末端执行器开发的一个重要因素。在此背景下，浙江大学飞机数字化装配项目团队自主研发了一套机器人自动制孔实验系统，本文在该实验系统的基础上，以末端执行器的压脚机构为研究对象，将其运动分为两部分:一是压脚伸出到达工件表面的过程;二是压紧工件并保持压脚力恒定的过程，并分别对两部分气动控制系统进行设计研究。
　　本文首先阐述自动制孔系统及其末端执行器的国内外研究现状，介绍压脚机构在末端执行器中的作用，并提出了论文的研究内容。
　　然后针对压脚机构气动控制这一强非线性和时变性系统，提出一种非线性鲁棒控制方法即滑模变结构控制，并给出变结构控制系统的基本综合方法，介绍变结构控制方法在高阶微分方程描述的系统中的应用，为后续滑模控制器设计奠定理论基础。
　　接着针对制孔工艺中压脚预紧机构快速运动到工件表面时产生的冲击问题，提出气动位置缓冲控制方法，并以原有的压脚控制硬件为基础，引入电气比例减压阀、光栅位移传感器及测距传感器，构建压脚气动伺服控制系统。在建立压脚预紧机构气动非线性模型的基础上，通过摩擦力模型补偿，设计一种滑模控制器，以安装于压脚鼻端的测距传感器获取的距离信息为控制输入，以压脚位移作为控制反馈，实现机构快速小冲击定位到工件表面;并给出气动伺服控制系统在MechaWare中实现的原理和方法。
　　最后对比无缓冲控制、位置伺服缓冲控制及气动节流缓冲控制三种情况的实验结果，得出压脚机构经过位置缓冲控制后，能够将对工件冲击力大小削弱到无缓冲控制时的2.5％;且与气动节流缓冲控制相比，在相同缓冲效果下，机构动作时间缩短了36.6％。

目录

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致谢

摘要

第1章 绪论

1．1 引言

1．2 自动制孔系统及其末端执行器研究现状

1．2．1 国外研究现状

1．2．2 国内研究现状

1．3 压脚机构在末端执行器中的作用

1．4 滑模变结构控制系统

1．5 本文研究的主要内容

1．6 本文的创新点和难点

第2章 滑模变结构控制理论

2．1 变结构控制系统概念

2．1．1 变结构控制基本问题

2．1．2 等效控制原理

2．1．3 滑动模的不变性

2．2 变结构系统的抖振问题

2．2．1 抖振产生的原因

2．2．2 抖振的削弱

2．3 滑模变结构控制设计综合

2．4 高阶微分方程描述的系统的变结构控制

2．5 本章小结

第3章 末端执行器压脚机构气动伺服设计

3．1 机器人自动制孔系统总体结构

3．1．1 机器人自动制孔系统组成

3．1．2 末端执行器结构与控制

3．1．3 基于末端执行器制孔工艺流程

3．2 压脚预紧机构缓冲控制问题研究

3．2．1 缓冲控制方法

3．2．2 气动节流控制回路及存在的问题

3．2．3 气动伺服控制回路

3．3 压脚气动伺服控制设计

3．3．1 压脚气动控制设计要求

3．3．2 压脚气动伺服系统硬件平台构建

3．3．3 压脚机构位置缓冲控制实现

3．3．4 压脚机构压脚力控制实现

3．4 本章小结

第4章 末端执行器压脚变结构控制器设计

4．1 压脚气动伺服控制系统建模

4．1．1 压脚气动系统运动方程

4．1．2 摩擦力模型

4．1．3 阀控缸模型基本方程

4．1．4 压脚气动伺服系统数学模型

4．2 压脚系统变结构滑模控制器设计

4．2．1 滑模变结构控制器的算法

4．2．2 摩擦力补偿策略

4．2．3 仿真验证

4．3 控制算法在MechaWare中的实现

4．3．1 MechaWare简介

4．3．2 利用MechaWare实现气动伺服控制

4．4 本章小结

第5章 压脚气动伺服缓冲验证实验

5．1 实验系统

5．2 实验过程

5．3 实验结果分析

5．4 本章小结

第6章 总结与展望

6．1 总结

6．2 展望

参考文献