拋光是零件加工的最后一個(gè)環(huán)節(jié)，材料去除量很少，拋光有電化學(xué)拋光、磁流變拋光、等離子拋光、超聲波研磨拋光和機(jī)械拋光等，而機(jī)械拋光的效率最高且可控性好，本文提出基于并聯(lián)機(jī)器人技術(shù)的自動(dòng)拋光機(jī)床系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案并研制樣機(jī)，進(jìn)行了拋光實(shí)驗(yàn)。

本文提出基于并聯(lián)機(jī)器人技術(shù)的自動(dòng)拋光機(jī)床系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案，系統(tǒng)地研究新型自由曲面拋光機(jī)床的機(jī)構(gòu)綜合、工作空間分析、運(yùn)動(dòng)學(xué)動(dòng)力學(xué)性能計(jì)算和分析等工作，設(shè)計(jì)和研制基于并聯(lián)機(jī)器人的自動(dòng)拋光機(jī)床，并對(duì)并聯(lián)拋光機(jī)床進(jìn)行拋光實(shí)驗(yàn)和性能評(píng)定。研究?jī)?nèi)容主要包括以下幾個(gè)方面：從復(fù)雜自由曲面拋光任務(wù)要求出發(fā)，提出能夠?qū)崿F(xiàn)自由曲面恒力拋光的自動(dòng)拋光機(jī)床系統(tǒng)方案；合理的運(yùn)動(dòng)支鏈布局方式避免了單運(yùn)動(dòng)支鏈的集中受力問(wèn)題；在運(yùn)動(dòng)學(xué)分析的基礎(chǔ)上，結(jié)合凱恩方程和矢量方法建立并聯(lián)機(jī)構(gòu)逆動(dòng)力學(xué)模型；最后，研制并聯(lián)自動(dòng)拋光機(jī)床樣機(jī)，對(duì)自由曲面零件進(jìn)行恒力拋光實(shí)驗(yàn)，拋光精度能達(dá)到11級(jí)拋光粗糙度。

并聯(lián)拋光機(jī)床系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

自由曲面零件她光任務(wù)要求執(zhí)行機(jī)構(gòu)至少具備3個(gè)移動(dòng)和2個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)的運(yùn)動(dòng)自由度。目前絕大部分的自動(dòng)拋光設(shè)備都是基于串聯(lián)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)的，雖然串聯(lián)機(jī)構(gòu)的靈活工作空間大，但由于串聯(lián)機(jī)構(gòu)開(kāi)環(huán)特性產(chǎn)生的載荷和誤差累加性，導(dǎo)致自由度越多其末端平臺(tái)的誤差累積性越嚴(yán)重，其需要增加串聯(lián)機(jī)構(gòu)體積和質(zhì)量，以足夠好的剛度來(lái)保證末端執(zhí)行平臺(tái)的精度。開(kāi)環(huán)串聯(lián)機(jī)構(gòu)的大慣量和弱剛度，使得基于串聯(lián)機(jī)構(gòu)的自由曲面拋光動(dòng)態(tài)特性較差。

為了克服基于傳統(tǒng)串聯(lián)機(jī)構(gòu)的自由曲面拋光系統(tǒng)的載荷和誤差累加特性，提出基于并聯(lián)機(jī)構(gòu)的自動(dòng)拋光系統(tǒng)整體方案，并聯(lián)拋光機(jī)床包括丁3R2運(yùn)動(dòng)類型的大轉(zhuǎn)角空間新型并聯(lián)機(jī)構(gòu)、數(shù)控轉(zhuǎn)臺(tái)和安裝在動(dòng)平臺(tái)上的具有力反饋的直線拋光移動(dòng)平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)大零件自由曲面解耦拋光任務(wù)。

并聯(lián)拋光機(jī)床的機(jī)械本體部分主要由五自由度并聯(lián)機(jī)構(gòu)、旋轉(zhuǎn)數(shù)控工作臺(tái)和具有力反饋的直線運(yùn)動(dòng)平臺(tái)組成。圖1是并聯(lián)拋光機(jī)床的內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖。圖2是動(dòng)平臺(tái)的結(jié)構(gòu)圖，其中在并聯(lián)移動(dòng)平臺(tái)和拋光主軸中間安裝了一個(gè)力傳感器和直線電機(jī)，力傳感器和直線電機(jī)是用于在拋光過(guò)程中實(shí)現(xiàn)拋光力控制，以保證自由曲面的拋光精度。

(1)五自由度并聯(lián)機(jī)構(gòu)五自由度并聯(lián)機(jī)構(gòu)是具有3個(gè)移動(dòng)和2個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)運(yùn)動(dòng)自由度的純并聯(lián)機(jī)構(gòu)，并聯(lián)機(jī)構(gòu)五個(gè)支鏈的驅(qū)動(dòng)方式均采用中空電機(jī)驅(qū)動(dòng)絲桿的方式，這種先進(jìn)的驅(qū)動(dòng)方式可以大大地提高支鏈的驅(qū)動(dòng)長(zhǎng)度，從而增大并聯(lián)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)空間。支鏈與運(yùn)動(dòng)平臺(tái)相連接的萬(wàn)向節(jié)運(yùn)動(dòng)副采用的是羊角形式的運(yùn)動(dòng)副類型，羊角形式的萬(wàn)向節(jié)能夠進(jìn)行大范圍的轉(zhuǎn)動(dòng)，特殊關(guān)節(jié)設(shè)計(jì)大大提高了并聯(lián)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)平臺(tái)轉(zhuǎn)動(dòng)自由度的運(yùn)動(dòng)范圍。

(2)旋轉(zhuǎn)數(shù)控工作臺(tái)新型的并聯(lián)機(jī)構(gòu)的三個(gè)空間移動(dòng)自由度和一個(gè)俯仰旋轉(zhuǎn)自由度的運(yùn)動(dòng)范圍都很大，而另一個(gè)左右擺角自由度的運(yùn)動(dòng)范圍較小，為了擴(kuò)大該并聯(lián)機(jī)構(gòu)的加工范圍，在靜平臺(tái)上冗余了一個(gè)用于卡緊零件的數(shù)控轉(zhuǎn)臺(tái)。新型并聯(lián)機(jī)器人配合數(shù)控轉(zhuǎn)臺(tái)，可實(shí)現(xiàn)工件的五面加工，數(shù)控轉(zhuǎn)臺(tái)不僅能夠擴(kuò)大零件加工空間的能力，同時(shí)還能實(shí)現(xiàn)并聯(lián)機(jī)器人避奇異的軌跡規(guī)劃。

(3)力反饋直線運(yùn)動(dòng)平臺(tái)并聯(lián)機(jī)構(gòu)動(dòng)平臺(tái)上的直線運(yùn)動(dòng)平臺(tái)由直線驅(qū)動(dòng)電機(jī)、拋光主軸及連接直線電機(jī)動(dòng)子和拋光主軸之間的力傳感器組成。對(duì)于拋光任務(wù)，拋光力的控制在整個(gè)拋光過(guò)程中是至關(guān)重要的，此方案的直線運(yùn)動(dòng)平臺(tái)，利用力傳感器向控制系統(tǒng)反饋拋光過(guò)程中拋光力信息，結(jié)合高分辨率和高動(dòng)態(tài)特性的直線電機(jī)，根據(jù)實(shí)時(shí)的力反饋信息調(diào)整拋光主軸的位置，實(shí)現(xiàn)對(duì)拋光過(guò)程中的恒拋光力控制。

(4)系統(tǒng)控制部分并聯(lián)拋光機(jī)床控制系統(tǒng)由控制7個(gè)伺服驅(qū)動(dòng)電機(jī)的德國(guó)PowerAutomation實(shí)時(shí)CNC控制系統(tǒng)、基于FPGA的絕對(duì)值關(guān)節(jié)測(cè)量系統(tǒng)和力傳感器采集系

統(tǒng)組成，其中CNC系統(tǒng)開(kāi)放了軟PLC功能，讓用戶實(shí)現(xiàn)數(shù)控系統(tǒng)的10邏輯編程，同時(shí)開(kāi)放了CompileCycle接口，可以讓用戶用C/C++進(jìn)行運(yùn)動(dòng)軌跡控制等算法的編寫(xiě)。關(guān)節(jié)角度測(cè)量系統(tǒng)為系統(tǒng)控制提供冗余的反饋信息，而力傳感器采集系統(tǒng)為拋光力控制提供反饋數(shù)據(jù)。

自由曲面拋光并聯(lián)機(jī)構(gòu)

并聯(lián)拋光機(jī)構(gòu)是由一個(gè)4URHU-1URHR運(yùn)動(dòng)支鏈組成的純并聯(lián)機(jī)構(gòu)和一個(gè)冗余直線運(yùn)動(dòng)平臺(tái)組成的。圖3是新型并聯(lián)拋光機(jī)床的方案圖，并聯(lián)拋光機(jī)床的純并聯(lián)部分是由動(dòng)平臺(tái)，機(jī)床床身和五個(gè)運(yùn)動(dòng)支鏈組成。為了實(shí)現(xiàn)拋光過(guò)程中拋光力的控制，并聯(lián)拋光機(jī)床中引入了直線伺服電機(jī)，直線伺服電機(jī)帶動(dòng)安裝有拋光工具的電主軸來(lái)進(jìn)行拋光力調(diào)節(jié)。另外，在機(jī)床床身上安裝了數(shù)控轉(zhuǎn)臺(tái)。

圖4是并聯(lián)拋光機(jī)床結(jié)構(gòu)示意圖，并聯(lián)機(jī)床由五個(gè)運(yùn)動(dòng)支鏈組成，其中中央運(yùn)動(dòng)支鏈L1的運(yùn)動(dòng)副分布為URHR，即由一個(gè)萬(wàn)向節(jié)副U，電機(jī)動(dòng)子旋轉(zhuǎn)副R，螺旋副H和一個(gè)連接動(dòng)平臺(tái)的轉(zhuǎn)動(dòng)副R組成的，它是一個(gè)五自由度的運(yùn)動(dòng)支鏈，三個(gè)移動(dòng)和兩個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)自由度;其他四個(gè)相同的運(yùn)動(dòng)支鏈Li(i=2,3,4,5)的運(yùn)動(dòng)副分布為URHU，它們和中央支鏈L1不同在于，它們是通過(guò)萬(wàn)向節(jié)副U與動(dòng)平臺(tái)相連接的，它們是六自由度的運(yùn)動(dòng)支鏈。根據(jù)螺旋理論的自由度線性相關(guān)理論，并聯(lián)機(jī)床動(dòng)平臺(tái)的自由度和中央支鏈的運(yùn)動(dòng)自由度一致，即并聯(lián)機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)自由度是T3R2三移動(dòng)兩轉(zhuǎn)動(dòng)無(wú)在并聯(lián)拋光機(jī)構(gòu)的末端安裝了具有力反饋的直線移動(dòng)平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)拋光力的解耦控制。

五自由度并聯(lián)機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)模型

如圖5所示，P表示中央支鏈L。在動(dòng)平臺(tái)上旋轉(zhuǎn)副R的中心點(diǎn)，設(shè)其在全局坐標(biāo)系下的坐標(biāo)為xp,yp,zp；θ表示中央支鏈L1絲杠繞e14方向的軸旋轉(zhuǎn)角；φ表示動(dòng)平臺(tái)繞e15方向的旋轉(zhuǎn)角度。拋光系統(tǒng)純并聯(lián)部分的中央支鏈比其他四個(gè)支鏈少了一個(gè)旋轉(zhuǎn)自由度，為了統(tǒng)一中央支鏈和其他四個(gè)支鏈的運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)公式推導(dǎo)，對(duì)中央支鏈增加一個(gè)虛擬的轉(zhuǎn)動(dòng)副R，并令θ16=0。對(duì)于任務(wù)空間，選擇xxp,yp,zp，θ和φ為并聯(lián)機(jī)構(gòu)的廣義變量。

用Bij表示第i個(gè)支鏈中第j個(gè)剛體，其中Bi1代表萬(wàn)向節(jié)的第一個(gè)旋轉(zhuǎn)剛體；Bi2表示中空電機(jī)定子；Bi3表示中空電機(jī)的轉(zhuǎn)子；Bi4代表滾珠絲杠；而B(niǎo)i5表示羊角萬(wàn)向節(jié)部件，當(dāng)i=1時(shí)，即B15代表動(dòng)平臺(tái)。用廣義坐標(biāo)描述全局坐標(biāo)下動(dòng)平臺(tái)速度和加速度過(guò)程中，中央支鏈的各關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)角變量θ11θ12θ13θ14θ15被當(dāng)作中間變量，用于簡(jiǎn)化動(dòng)平臺(tái)速度和加速度與廣義變量之間的關(guān)系。可以得到如下方程（1）：

根據(jù)以上幾何關(guān)系進(jìn)行計(jì)算，建立了并聯(lián)機(jī)構(gòu)的逆解運(yùn)動(dòng)學(xué)模型，進(jìn)行機(jī)構(gòu)各剛體構(gòu)件的速度和加速度分析，在運(yùn)動(dòng)學(xué)分析的基礎(chǔ)上，應(yīng)用高效的凱恩方程建立并聯(lián)拋光機(jī)構(gòu)剛體逆動(dòng)力學(xué)模型，將動(dòng)力學(xué)方程轉(zhuǎn)化為控制狀態(tài)方程，并將控制狀態(tài)方程運(yùn)用于并聯(lián)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)軌跡跟蹤控制，綜合高效的計(jì)算力矩法、最優(yōu)控制和魯棒控制的各自優(yōu)點(diǎn)，將建立的基于計(jì)算力矩法的混合方法應(yīng)用于并聯(lián)機(jī)構(gòu)的逆解動(dòng)力學(xué)運(yùn)動(dòng)軌跡跟蹤控制，以實(shí)現(xiàn)高速高精度的并聯(lián)機(jī)構(gòu)軌跡控制算法。

恒力拋光的力反饋控制方案

為了實(shí)現(xiàn)恒拋光力控制，在并聯(lián)機(jī)床動(dòng)平臺(tái)上安裝了配有高分辨率光柵的伺服直線電機(jī)，同時(shí)在拋光工具和直線電機(jī)動(dòng)子之間安裝了三維力傳感器，如圖6所示。通過(guò)三維力傳感器的力反饋利用直線電機(jī)調(diào)整拋光工具的位置，從而實(shí)現(xiàn)拋光工具的恒力拋光控制。由于動(dòng)子和拋光工具固連平臺(tái)的總體質(zhì)量比較大，因此在動(dòng)子和運(yùn)動(dòng)平臺(tái)之間添加了一個(gè)彈簧，以平衡動(dòng)子及其固連平臺(tái)的重力，減小直線電機(jī)的靜態(tài)驅(qū)動(dòng)電流。

圖7是并聯(lián)拋光機(jī)床移動(dòng)平臺(tái)的模型簡(jiǎn)圖，其中動(dòng)子平臺(tái)由彈簧連接到并聯(lián)移動(dòng)平臺(tái)上。并聯(lián)移動(dòng)平臺(tái)和重力方向的夾角為a，設(shè)動(dòng)子和動(dòng)力平臺(tái)的質(zhì)量為m。，拋光工具及保持架的總質(zhì)量為m，彈簧的剛度為k，阻尼為c。動(dòng)子平臺(tái)受到彈簧力和阻尼力分別為fk和fc，拋光過(guò)程中拋光工具受到的拋光壓力和拋光力矩分別為ft和mt，傳感器受到的內(nèi)力為Fs，其可以通過(guò)力傳感器本身測(cè)量得到的。

并聯(lián)拋光機(jī)床拋光實(shí)驗(yàn)

應(yīng)用并聯(lián)拋光機(jī)床對(duì)自由曲面零件進(jìn)行拋光實(shí)驗(yàn)，將零件自由曲面的離散點(diǎn)和離散點(diǎn)法向矢量數(shù)據(jù)保存為文件，導(dǎo)入到用Matlab開(kāi)發(fā)的分形路徑生成模塊中，生成Hilbert分形軌跡曲線，再將由Matlab產(chǎn)生的分形軌跡曲線文件導(dǎo)入到并聯(lián)拋光機(jī)床仿真軟件中，得到自由曲面上的Hilbert分形軌跡。并聯(lián)拋光機(jī)床仿真軟件將自動(dòng)根據(jù)輸入的數(shù)據(jù)計(jì)算最優(yōu)任務(wù)靈活度的自由曲面拋光軌跡，并自動(dòng)生成如下的G代碼數(shù)據(jù)文件。

圖8-a是只經(jīng)過(guò)拋光布進(jìn)行雜質(zhì)處理，但沒(méi)有經(jīng)過(guò)并聯(lián)拋光機(jī)床拋光的零件表面部分的粗糙度檢測(cè)結(jié)果，其粗糙度Ra=0.1735μm，輪廓最大高度Rz=0.3839μm，該精度為粗糙度9級(jí)精度。圖8-b是經(jīng)過(guò)并聯(lián)拋光機(jī)床拋光的零件表面部分的粗糙度檢測(cè)結(jié)果，其粗糙度R}=0.0431}m，輪廓最大高度Rz=0.1194}m，該精度為粗糙度11級(jí)精度。由此可以看見(jiàn)，經(jīng)過(guò)并聯(lián)拋光機(jī)床的分形軌跡拋光工藝和恒力拋光加工后，能將經(jīng)過(guò)拋光布拋拋光后零件表面粗糙度從9級(jí)提高到11級(jí)精度。

從拋光實(shí)驗(yàn)的效果可以說(shuō)明，本文提出自動(dòng)拋光系統(tǒng)應(yīng)用新型并聯(lián)拋光機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)拋光移動(dòng)平臺(tái)的位置執(zhí)行裝置，使用具有拋光力反饋的恒力拋光平臺(tái)對(duì)自由曲面零件進(jìn)行拋光，高剛度的并聯(lián)機(jī)構(gòu)和解耦的恒力拋光平臺(tái)能夠?qū)崿F(xiàn)自由曲面的高精度拋光加工。

更多資訊請(qǐng)關(guān)注工業(yè)機(jī)器人頻道