6R工业机器人刚度建模及其应用研究

【摘要】工业机器人的出现和发展是多门科学综合的结果,在装配制造业中随着无图纸制造技术、离线编程技术、快速成型技术和数字化无人化技术的运用,加工制造的工艺规程和工艺方法都在发生着变化。将工业机器人运用到机械加工领域已经得到很多研究单位和学者的重视。针对六自由度工业机器人系统刚度低,很难满足金属切削加工要求的状况。本文以ER50-C20型机器人为研究对象,对机器人切削加工的部分原理进行理论研究和相应的实验验证。1.通过D-H方法建立该型机器人的运动学方程,并对其进行了运动学逆解的推导和验证,运用矢量积法求解出机器人的雅可比矩阵。2.设计了机器人与电主轴连接的末端手爪,建立了机器人基座标系和末端铣刀坐标系之间的坐标变化矩阵,运用牛顿-欧拉方程构建铣削力与机器人关节处所受广义力之间的联系。3.根据机器人各传动部件的结构参数计算其等效刚度的大小,将各传动部件简化为弹性元件折合到相应的关节上,求得机器人各关节的刚度,通过雅可比矩阵映射出关节挠度在机器人末端的表现；把机器人臂杆当作一个柔性杆进行处理,分别建立其拉伸、扭转和弯曲的挠度变形模型,建立含误差参数的机器人运动学模型,求出各臂杆挠度微变量在操作末端的映射。最终在机器人操作末端叠加关节挠度和臂杆挠度,通过刚度定义求解出机器人操作空间中的总刚度。4.机器人切削加工过程中,由于臂杆末端存在挠度变形使得刀具的走刀轨迹产生偏差,从而导致加工误差的出现。以铣削加工为例验证了在机器人切削加工过程中,机器人刚度模型对刀具轨迹的误差补偿的有效性。5.由于机器人操作空间位姿的变化对操作末端误差影响很大,本文在机器人结构及末端切削载荷一定的情况下,在机器人系统刚度模型的基础上,采用遗传算法以机器人末端变形量最小为目标函数对机器人操作任务的空间位置进行优化,并最终寻求出机器人空间中的最优任务空间。
【作者】刘文洲；
【导师】张永贵；
【作者基本信息】兰州理工大学，机械制造及其自动化，2014，硕士
【关键词】切削加工；关节刚度；臂杆刚度；末端挠度；任务空间优化；

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