题目：磨削机器人系统的灵活性和精度研究

磨削机器人系统能够实现具有复杂曲面特征工件的磨削和抛光终加工，其技术难点可归纳为两个方面：机器人磨削不具有人工磨削的灵巧性和柔顺性，也不具有CNC磨削加工中心的刚性精密定位。本文针对这两个技术难点，提出了一种新型专用磨削机器人，设计了机器人砂带磨削加工单元的物理样机；分析、比较和优化了磨削机器人的灵活磨削空间；创建了机器人离线编程系统，提高了复杂磨削路径编程的精度和效率；利用正交试验法综合了机器人末端误差的因素，定量地证明了磨削机器人的优选臂构型。本文的主要框架如下：(1)归纳和总结了前人使用通用工业机器人进行复杂曲面工件磨削的研究内容和研究结果，指出了因为绝对定位精度有限、灵活工作空间局限和操作臂刚度低等三大原因，通用工业机器人仅适合于大轮廓、平坦曲面和软材质工件的曲面磨削加工。提出了适合于曲面接触作业的PPPRRR磨削机器人操作臂新构型，建立了机器人砂带磨削加工单元，构造了一个新的机器人砂带磨削试验平台。(2)不同于经典工况下机器人末端夹持工具完成主运动，机器人砂带磨削属于工件主动、工具相对于机器人基坐标系固定的构型。这种拓扑构型，扩展了机器人的工作空间和灵活工作空间的概念。建立了一种新的基于模拟退火算法的磨削机器人系统的灵活工作空间计算方法，并用这种方法研究了ABB IRB4400/45典型通用工业机器人的灵活工作空间的大小，比较了以上两种机器人的灵活磨削工作空间。以机器人灵活工作空间体积为目标函数，利用模式搜索法，优化了磨削机相对于机器人基座的位姿。相应地，推演出了一套适用于具有灵活手腕机器人的灵活工作空间体积的数值计算方法。(3)提出了一种开放式的机器人示教编程系统，该系统可以在工业控制机的一般硬件和软件平台上运行，消除了工业机器人示教器不通用的局限性，并在磨削机器人系统上实施了该方案，获得了一定的实用价值。设计和开发了一套适用于所有已知运动学参数的6自由度机器人的离线编程系统，该系统具有独立的图形仿真软件平台，提供了人机交互生成磨削路径的功能，解决了曲面磨削路径生成效率低下和精度不足的实际问题，保证了磨削加工精度和表面质量。(4)设计和实现了一种机器人磨削系统的工具坐标系标定的实验方法，使得接触轮的水平倾角标定误差低于0.05°。(5)推导了机器人各运动学参数误差对末端位姿误差的传递函数，建立了完整的运动学参数误差的正交试验表格，给定每个误差因素的水平，使用较少的计算开支就可以综合出一般机器人末端定位误差和获得各误差因素对机器人末端位姿的误差影响的显著程度。在运动学参数误差相同、工作空间相当的情况下，利用该计算方法分析和比较了3R、RPP和3P三种构型机器人定位误差的绝对值，定量证明了直角坐标构型具有较高的精度水平。