差速驱动研抛机器人的运动控制[设计+开题+综述]

开题报告

机械设计制造及其自动化

差速驱动研抛机器人的运动控制

一、选题的背景与意义

随着制造加工业向自动化、高效精密化方向发展,研抛加工作为模具自由曲面加工的最终工序对工业制品的质量起着非常重要的作用,而机器人辅助模具研抛是实现模具研抛自动化的重要手段之一,它对提高研抛效率,保证产品质量,降低工人劳动强度等方面具有重要意义[7]。同时现代模具工业作为机械制造业的一大分支,有着“永不衰亡工业”之称,其模具产品也向着更大型、更精密、更复杂及更经济快速方面发展。然而,模具自由曲面的精加工是当今模具制造的一个重点,但也是一个难点,很多尚未攻克的精加工难题严重制约了模具行业的发展。因此,进行模具精加工的理论和技术研究已经势在必行。

目前，对大型曲面的加工抛光主要是人为进行的。首先，因为目前对了曲面自动加工技术还不成熟，加工的精度不高，效率也比较低，同时加工过程中机器人的运动难以控制；其次，人为加工效率比机器人加工要高，而且对那些有经验的钳工，对了曲面的变化比较了解，加工的精度也会很高，同时手动加工对于一些比较复杂的曲面会比较顺利。但人为加工也有不好的地方，一个是安全问题，当大型曲面是立式的时候，比如船舶船身，人在加工时，可能会发生意外，另一个是加工效率问题，虽然现在人为的加工效率比机器人加工效率要高，但机器人具有比较大的发展空间，我们可以通过设计机器人的加工机构以及运动机构大幅度的提升加工效率。还有一个问题是人为加工时，加工的力度都恒定的，对于一个大型曲面的加工过程，会是在一个变化的力度下加工完成的，这对于大型曲面来说整体的精确度就会很低，误差也会比较大。

二、研究的基本内容与拟解决的主要问题

为了让机器人达到成功研抛加工的目的，我们主要研究的内容有两个，一个是研抛机器人的运动机构，一个是研抛机器人的研抛机构。

2.1 运动机构

运动机构，是研抛机器人关键机构之一，他在研抛过程中有确定运动轨迹和牵引研抛机构的作用。小型研抛机器人在大型曲面上加工时，确定其运动轨迹以及保证机器人能按预定轨迹上上运动是设计机器人的必要要求，所以我们要让运动机构具有高效率性，高精确度的特点。

图1 研抛机器人移动机构模型

2.2 研抛机构

研抛机构是设计的另一关键点。因为机器人是要在大型曲面上自主进行研抛工作，所以我们在设计的时候在使研抛机构具有主动调节功能，抛光轮可以不断的适合新曲面进行加工。

在设计研抛机构时，我们主要致力于抛光轮对大型号曲面的适合性以及抛光轮在加工过程的工作效率。研抛机器人加工的曲面的曲率不是固定的，而是会随着轨迹的位移而产生变化的，机器人在加工过程中要克服这一点是提高加工效率最直接的方法。

对于运动机构，为了保证它的高性能，我们设计他的驱动系统是两独立轮驱动。实行两独立轮驱动同，依靠两驱动轮速度差的特点可以实现机器人直行、转弯、停止等运动方式，可以让机器按照预定的轨迹进行运动，也可以让偏离了预定的机器人重新回到预定轨迹。因为研抛机器人不仅仅在水平面上进行研抛，还需要在斜率比较大甚至在斜率为负值的东风压倒西风上进行研抛，所以我们设计的机器需要对加工的曲面具有一定的吸附能力。但考虑到机器人的运动的灵活性以及机器人脱离曲面的问题，我们需要吸附能力具有可变性，便于控制机器人的

加工过程。

对于研抛机构，我们利用弹簧的回复性来实现抛光片的适应曲面的特点，这样不仅能使抛光片的抛光角度随着曲率的变化而变化，还不会影响到抛光的效率。为了使弹簧的弹性得到发挥，在研抛机器人加工曲面时，我们就需要使弹簧具有回复力，这样子可以使抛光轮从接触曲面开始就适应曲面，进行变化，所以在设计的时候我们将研抛机构也设计成具有吸附能力，而且吸附面处于弹簧的压缩回复力段。同时，考虑到让抛光轮在适应曲面时具有最佳的接触面积，我们采用多段弹簧进行控制，在抛光轮的边缘上每90度设置一个弹簧装置，每个弹簧就可以根据曲面变化产生不同的回复力，回复力对抛光轮行成压力，根据压力的比较，这样就能让抛光轮根据曲面做出最佳变化。

三、研究的方法与技术路线

为了让研抛机器人能达到预定的目标，我们首要的任务是使其能按预定的轨迹移动，所以第一个要设计的就是其运动机构。在运动机构上，我们采用了差速驱动原理，它是利用两个轮的独立性，让两个轮形成速度差达到直行，定半径转弯，停止等运动方式。借助于独立两轮的速度差可以实现机器人的转弯；当其中一轮的速度为零时，可以实现绕不动轮的中心实现旋转，这种旋转称为枢轴旋转；当两轮彼此速度反向的运动，可以实现机器人绕两轮轴中心位置的自旋旋转。

第二步，我们要进行研抛机器人运动学分析，根据各个结构的数据推导出速度公式，使其成为我们可控制的变量。在进行研抛机器人运动学分析时，我们是以得知两独立驱动轮速度为前提的，通过两独立驱动轮速度，我们可以得出研抛机器人的运动速度以及运动角速度。再通过分析研抛机器人的结构，我们可以得出各个结构之间的距离。通过运动速度，运动角速度，各个距离，还有雅可比矩阵，我们可以得出逆运动学公式。

第三步，我们要对研抛机器人的运动轨迹进行模拟与误差分析，从分析结果中，我们可以得出如何去减小误差，提高效率。在研抛机器人虽然能在加工过程中转动灵活，可以做圆弧或曲线运动，但是为了保证其加工作业的连续性，我们令其走直线，这样的加工效果较好。由于机器人的加工对象是大型曲面，从机器人的工作效率来看，直线轨迹运动要高于曲线轨迹运动。机器人在沿曲线轨迹闸工时，需要不断地调整研抛工具的位姿，以保证加工效果，而机器人在沿直线轨

迹加工时，对其研抛工具位姿的调整比较容易。

图2 研抛机器人对直线路径的跟踪

第四步，我们需要设计如何使运动机构成功运转，即要设计一个控制系统。为了实现机器人的前进、转弯、停止的运动方式，我们采用多功能数据采集卡采集传感器的电压信号，经过适当的数据处理后，得到通过控制给步进电机驱动器的脉冲数量来对步进电机的位移进行控制，从而实现实现行走运动。工具系统的控制采用电流源控制直流电机，实现研抛加工的转速变化，最终实现研抛力的主动控制。

图3 研抛机器人控制框图

第五步，对设计好的运动机构进行实验，使其在曲面上进行直线运动，得知我们设计的研抛机器人的直线追踪能力。要使研抛机器人最终能够完成对大型曲面的研抛加工作业，首先必须保证机器人能够在工件曲面上准确、稳定的运动，这就要求研抛机器人肯有良好的运动能力。若机器人无法达到相当的要求，那就就需要进行相应的调整和改进。