基于工业机器人的非球面工件打磨技术研究

摘要

随着科学技术的高速发展，非球面元件的应用范围越来越广。现阶段非球面模具零件的表面加工主要依靠人工打磨，其加工效率较低，加工后表面精度不高，产品质量一致性无法保证，并且打磨粉尘对工人身体健康危害极大。打磨机床虽然可以克服上述缺点，但是由于其运动空间的限制并没有得到很好的普及。
　　如今，运动范围更广，自动化程度更高的工业机器人开始涉及各个领域，机器人打磨技术逐渐成为一种高效的自动化打磨手段，可以有效地完成多种形式的打磨要求。为了获得高效率的打磨方法和高质量的打磨效果，本文以FANUC LR Mate200iD型工业机器人为基础，搭建了一套可用于非球面等异型面零件的打磨试验平台。对机器人运动学，打磨斑均匀性优化方法和机器人打磨轨迹规划做了深入的研究。
　　首先，根据非球面工件在机床打磨中的进给速度、工具转速、进刀量等加工要求，利用工业机器人运动空间大、控制灵活等工作特点，搭建了一套机器人非球面打磨系统试验平台。利用PLC控制器完成打磨头控制系统与机器人之间的通讯，对非球面工件不同曲率处打磨工具的转速实现精准控制。
　　其次，详细探讨了工件上毛刺刻痕等缺陷的去除过程;结合Preston方程建立非球面打磨运动模型，对打磨区域上打磨点的速度进行了计算，通过仿真深入分析了打磨区域内打磨点的速度分布情况，为后续打磨工艺参数的设计提供依据。利用数控铣床进行了不同打磨工具和不同打磨参数的单轨迹磨削试验，通过比较分析工件的表面质量，确定打磨过程中的关键工艺参数。
　　然后，结合机器人运动学理论，以FANUC LR Mate200iD型号机器人为对象进行了运动学计算，对打磨中涉及到的机器人工具位姿变换问题进行了全面的研究，并着重分析了单条打磨轨迹上相邻目标点处工具坐标的位姿变换。通过分析不同打磨轨迹形式工具坐标位姿变换的特点，提出了适用于旋转非球面工件的母线打磨轨迹方法。利用ROBOTGUIDE仿真软件建立非球面打磨虚拟工作站，进行打磨路径的模拟仿真。
　　最后，根据工件曲率的变化规律调整工具的下压量来确保工件不同位置打磨斑面积的均匀性，得到了工具下压量的调整方案。结合关键打磨工艺参数和打磨斑均匀性优化方法编写机器人打磨加工程序。试验后对比不同打磨条件下非球面工件的表面粗糙度，分析产生差异的主要原因，验证打磨轨迹和打磨斑均匀性优化方法的可行性。

目录

声明

摘要

符号说明

第一章 绪论

1．1 课题研究背景及意义

1．2 机器人打磨技术及国内外发展现状

1．3 本文研究内容

1．4 本章小结

第二章 六自由度工业机器人打磨系统硬件及其控制

2．1 打磨工业机器人系统

2．2 非球面工件打磨头模块设计

2．2．1 打磨驱动伺服电机

2．2．2 打磨头结构校核

2．2．3 打磨工具

2．3 PLC总机控制打磨系统

2．3．1 PLC控制系统

2．3．2 STEP7控制软件

2．3．3 打磨系统控制方法

2．4 本章小结

第三章 非球面工件打磨模型分析和打磨工艺参数设计

3．1 工件磨削加工中毛刺去除过程

3．2 非球面工件机器人打磨运动学模型

3．2．1 单轨迹打磨材料去除率

3．2．2 打磨工具上打磨点的速度分布

3．2．3 非球面打磨运动学建模

3．2．4 打磨运动速度仿真

3．3 关键磨削参数的确定

3．3．1 不同材料铣削试验

3．3．2 不同打磨工具打磨试验

3．3．3 机器人打磨工艺参数正交试验

3．4 本章小结

第四章 机器人打磨运动学计算及轨迹规划

4．1 机器人打磨运动学模型

4．1．1 机器人打磨运动学方程

4．1．2 打磨轨迹相邻目标点间的位姿变换

4．1．3 机器人打磨逆向运动学的求解

4．1．4 机器人打磨正向运动学验证

4．2 非球面打磨工具接触点轨迹

4．2．1 行切法路径

4．2．2 环切法路径

4．2．3 旋转非球面母线打磨路径

4．3 非球面打磨斑面积均匀性优化

4．3．1 非球面打磨运动模型的建立

4．3．2 打磨斑面积的计算

4．3．3 打磨斑面积归一化调整方法

4．3．4 有限元仿真验证

4．4 本章小结

第五章 机器人非球面打磨运动仿真及试验

5．1 试验目的及条件

5．2 机器人非球面打磨试验路径仿真

5．2．1 模拟仿真平台的搭建

5．2．2 仿真路径规划

5．2．3 机器人打磨运动程序

5．3 非球面工件打磨试验及结果分析

5．3．1 打磨系统的设置

5．3．2 打磨斑均匀性试验及结果分析

5．3．3 母线轨迹打磨试验及结果分析

5．4 本章小结

第六章 结论与展望

6．1 结论

6．2 展望

参考文献

致谢

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