机器人加工系统刚度性能优化研究

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1、航空学报Dec．252013VoI．34N。122823-2832AclaAeronauticaetAstronauticaSinicalSSN1000一6893CN11—1929／VhttD：∥hkxbbuaaeducnhkxb@buaa．edu．cn机器人加工系统刚度性能优化研究曲巍崴1一，侯鹏辉1，杨根军2，黄官平2，尹富成2，石鑫11．浙江大学机械工程学系，浙江杭州3100272．中航工业陕西飞机工业(集团)有限公司，陕西汉中723000摘要：工业机器人以其高精度、高效率、低成本和可扩展性等优势正被逐步应用到航空制造领域。然而串联机器人的结构弱刚度问题成

2、为影响其末端定位精度及加工动态性能的首要因素。本文应用冗余机器人的自运动特性，对附加第七轴的机器人刚度性能优化展开研究。首先，基于传统刚度映射模型，通过辨识实验获得机器人关节刚度；然后，在加工位姿及关节角度约束下，以机器人末端刚度椭球沿待加工曲面主法矢方向的半轴长度为优化指标，采用遗传算法进行机器人姿态优化；最后，对优化前后机器人变形进行对比分析，分析结果表明机器人刚度性能优化对增强机器人定位精度、改善加工性能具有重要意义。关键词：机器人加工系统；刚度辨识；笛卡儿刚度矩阵；遗传算法；姿态优化中图分类号：V19；TP242．2文献标识码：A文章编号：1000一68

3、93(2013)12—282310工业机器人作为应用最为广泛的柔性设备，自20世纪80年代开始被广泛应用于汽车工业的多个领域。近年来，随着机器人技术在波音、空客等航空企业中的成功应用，国内外航空制造业纷纷开始研究、推广机器人技术，以适应低成本、高质量、高效率和自动化加工的需求口‘3j。2011年，由浙江大学自主研发的机器人制孔系统在中航工业陕飞公司某型飞机后机身壁板装配中实现了一次性自动化钻、铰、锪窝的制孔加工，取得了加工精度和效率方面的重大突破，成为我国航空工业成功应用机器人技术的典范。国内外成功案例均可证明，机器人技术可以满足航空工业对加工质量、精度的要求，

4、但在机器人性能与加工工艺优化方面仍存在着极大的改善空间，其中刚度增强是机器人性能优化极为重要的方面，对机器人加工质量与加工稳定性具有重要影响[4。6j。尤其对附加第七轴的冗余机器人，利用其自运动特性实现机器人刚度性能优化对提高机器人稳定切削能力意义重大。在连杆刚性假定下，机器人末端笛卡儿刚度由关节刚度、机器人姿态和作用力共同决定口]。其中，机器人姿态对末端刚度具有决定性影响。国内外学者有关机器人刚度与姿态关系的研究成果表明可以通过姿态优化达到增强机器人刚度的目的。Chen和Kao的系列研究揭示了机器人末端刚度矩阵与关节刚度矩阵、机器人姿态之间的关系，并且表明末端

5、刚度随机器人姿态的变化而变化∞]。AngJr等研究了某一串联机器人，将机器人末端刚度描述为关于姿态的函数，同时选取了满足刚度要求的一个合适姿态用以完成特定任务∽]。Pashkevich等则针对平面三连杆机器人在3种不同姿态下的刚度性能和稳定性进行了研究，并提出收稿日期：2013—03—04；退修日期：2013—04．14；录用日期：2013—04—25；网络出版时间：2013—07—0110：32网络出版地址：www．cnkj．nel／kcms／detaiJ／11．1929，V．201307011032．003．html基金项目：中央高校基本科研业务费专项资金(

6、2012FzA4004)；国家科技支撑计划(2011BAFl3810)*通讯作者Tel：0571·87953929E—mail：qwwwwI@zjueducn；l捐梧武IQuWW．HouPH，yangGJ，etaIResearchonthes渊nessoe什0rmanceforfobotmach{n}旧systemsActaAeronauticaetAs．tronauticas确ca，2013·34t12)：2823—2832．罄巍崴．侯鹋辉．杨根军．等祝器人加I系统刚度性能优化研究航空学报．2013．34(12)：2823．2832航空学报了一种增强机器人刚性

7、的方法ⅢJ。Zargarbashi等[】u指出，对于冗余自由度机器人而言，在众多有限姿态中，必然存在一个刚度最优的姿态。浙江大学在使用机器入镗某型飞机中机身主起交点孔时发现，不同机器人姿态采用相同切削参数时表现出不同的切削性能，由此可见机器人姿态对切削性能具有重要影响。本文首先从机器人姿态与刚度关系人手，基于传统刚度映射模型，对附加第七轴的冗余机器人刚度性能优化进行研究。文章以KUKAKR360机器人为例，首先建立了机器人静刚度模型；然后利用Kistler测力仪和Leica激光跟踪仪间接测量并获取机器人关节刚度值，规划实验验证刚度数值的准确性；最后在加工位姿及关

8、节角度约束下，以机器人末