题目：机器人磨抛机床的机构及动力学研究

摘 要机器人修形磨削加工（conformance grinding）是指采用机器人磨削系统对复杂曲面工件进行砂带磨削加工使之达到设计尺寸公差和表面质量的一种精加工方法。在全球范围内，叶片加工精度问题已成为叶片加工行业关注的焦点，机器人修形磨削加工是有效解决叶片等复杂形面加工精度和效率问题的关键技术。开发针对叶片等复杂曲面工件的机器人修形磨削加工系统对提升我国的高精度磨削加工能力、推动国家航空航天领域制造技术的发展、促进国家制造业装备的产业升级具有重要意义。本论文是在北京航空航天大学机器人研究所与廊坊智通机器人系统有限公司的合作项目“机器人柔性磨削集成加工系统的设计和研究”及国家高技术研究发展计划（863计划）项目“面向叶片等复杂工件的机器人修形磨削系统”（项目编号：SQ2007AA04Z231266）共同资助下，重点对机器人磨抛机床的结构组成、机构运动特性、动力学特点以及磨削力控制等问题进行了深入研究。具体研究内容及主要工作可以概括为以下几个方面：第一，对砂带磨削机床的磨削原理及机器人磨削加工特点进行了分析。研制了用于完成机器人磨削作业的多工位四连杆砂带磨削机床和多工位三自由度磨削机床，并对这两种机床的磨削形式、静力学特性及机构进行了分析。研制了机器人柔性抛光机床，并对抛光机床关键机构进行了分析，在此基础上对柔性抛光机床的抛光力检测与控制进行了研究。第二，引入了磨削力位姿概念。采用D-H参数法建立了多工位三自由度磨削机床磨削力位姿的运动学方程，分析了其运动速度和加速度。研究了三自由度磨削机床灵巧度性能指标和奇异位形附近多工位三自由度磨削机床的运动学特性。通过数值仿真得出了多工位三自由度磨削机床的磨削力作用点位置的工作空间。第三，通过静力学分析建立了多工位三自由度磨削机床的各个关节制动力矩与磨削力之间的关系，讨论了多工位三自由度磨削机床奇异点附近磨削力与关节驱动力矩之间的关系。引入了机器人磨削系统接触刚度的概念，研究了多工位三自由度磨削机床的接触刚度，建立了多工位三自由度磨削机床磨削点挠度的数学模型。通过数值仿真，分析了多工位三自由度磨削机床关节的刚度和角位移对磨削点挠度的影响。第四，对多工位四连杆砂带磨削机床的动力学进行了研究。建立了多工位四连杆砂带磨削机床的比例阀磨削力补偿机构和主被动磨削力补偿机构的动力学模型。通过数值仿真，分析了多工位四连杆砂带磨削机床的动力学参数对机床固有频率的影响。分析了引起砂带磨削机床振动的原因并提出了避免振动的措施。 第五，对机器人力控制的一般原理进行了研究，建立了机器人磨削力控制模型，设计了无力传感器的机器人磨削力控制器。提出了机器人磨削机床的主被动磨削力控制原理，以主被动磨削力补偿机构的动力学模型为基础，结合自适应模糊控制理论，设计了机器人磨削机床的主动磨削力控制器，并对其进行了实验研究。第六，集成了由磨削机器人、砂带磨削机床及测量系统等设备组成的机器人磨削加工系统实验平台。对机器人砂带磨削工艺进行了初步实验研究。通过汽轮机叶片磨削加工实验对所设计的机器人砂带磨削机床及机器人磨削系统进行了实验研究。关键词：机器人，修形磨削加工，抛光，接触刚度，力控制