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复杂曲面研磨抛光机器人力控制研究

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摘要

第1章 绪论

1.1 课题研究背景及意义

1.2 研磨抛光机器人力控制研究的现状

1.2.1 机器人用于研磨抛光的发展现状

1.2.2 研磨抛光力控制的主要策略

1.3 机器人在研磨加工系统中的应用

1.3.1 机器人应用于研磨加工系统的发展情况

1.3.2 机器人末端执行器的研究

1.3.3 工业机器人应用于研磨抛光的主要技术路线

1.4 本文的主要内容与结构

第2章 研磨抛光机器人系统介绍

2.1 研磨抛光系统简介

2.1.1 系统总体构成

2.1.2 KUKA机器人介绍

2.1.3 研磨加工工具介绍

2.1.3 ATI六维力传感器介绍

2.1.4 附件介绍

2.2 系统通信方案设计

2.2.1 总体通信方案

2.2.2 上位机与机器人的通信方案选择与实现

2.2.3 上位机与力传感器通信方案选择与实现

2.3 本章小结

第3章 末端执行机构系统辨识

3.1 系统辨识的介绍

3.1.1 系统辨识的定义

3.1.2 系统辨识的步骤

3.1.3 系统辨识的基本原则

3.2 主被动柔顺控制策略的实现

3.3 增广最小二乘法用于研磨系统的辨识

3.3.1 最小二乘法用于系统辨识的基本原理

3.3.2 最小二乘法的无偏性

3.3.3 递推增广最小二乘法

3.4 递推增广最小二乘法用于实际的辨识过程

3.4.1 被控对象的传递函数

3.4.2 递推增广最小二乘法的辨识结果与分析

3.5 基于粒子群优化算法的系统辨识

3.5.1 粒子群优化算法理论

3.5.2 粒子群优化算法步骤与流程

3.5.3 粒子群算法对系统初始状态不稳定问题的解决

3.5.4 被控对象模型的四阶龙格库塔法离散化

3.6 用粒子群优化算法进行系统辨识的实验结果

3.7 本章小结

第4章 基于主被动柔顺控制策略的力控制算法

4.1 模糊自适应PID控制算法用于研磨力控制

4.1.1 模糊自适应PID控制器的特点与应用

4.1.2 模糊自适应PID控制系统的结构

4.1.3 基于ITAE指标的PID参数整定

4.1.4 模糊PID控制仿真和实验结果分析

4.2 双口内模控制实现研磨力控制

4.2.1 内模控制原理

4.2.2 内模控制器的设计

4.2.3 改进双口内模控制

4.2.4 双口内模控制仿真和实验结果分析

4.3 基于RBF滑模控制理论研磨力控制

4.3.1 滑模控制理论的发展历史与现状

4.3.2 滑模控制理论介绍

4.3.2 径向基神经网络介绍

4.3.3 基于RBF神经网络的等效滑模控制

4.3.3 基于RBF滑模控制的力控制仿真与实验结果分析

4.4 本章小结

第5章 曲面研磨过程接触力分布模型与分析

5.1 接触力与接触压力对研磨效果的影响

5.1.1 接触力与接触压力的区别

5.1.2 打磨效果与接触压力的数学模型

5.2 Hertz接触理论

5.2.1 Hertz接触理论介绍

5.2.2 应用赫兹接触理论解决弹性接触问题

5.3 研磨抛光过程的赫兹接触力分布模型

5.4 接触力分布与给定力计算

5.5 接触压力仿真结果分析

5.6 本章小结

第6章 总结与展望

6.1 本文工作总结

6.2 本文存在的不足与展望

参考文献

致谢

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摘要

自动化技术的应用程度是一个国家制造业技术水平高低的重要标志。目前,我国制造业中对具有复杂形状的自由曲面零件的加工,手工操作还是占据了主要地位。手工研磨抛光质量不稳定、效率低,而且工人工作环境恶劣,从而影响其市场的竞争力。机器人曲面自动研磨抛光系统的实现对提高生产效率、降低劳动强度、保证加工质量具有深远意义。
  本文以中国科学院沈阳自动化研究所和北京航空材料研究院的合作项目“透明件复杂曲面的自动研磨抛光技术”为背景,重点对机器人自动研磨抛光系统研磨力的控制进行了研究。
  本文首先概述了机器研磨抛光力控制技术的研究现状,然后结合曲面打磨对象搭建了以KUKA机器人为主体的研磨加工平台,对研磨抛光机器人系统进行了宏观上的介绍,包括其硬件组成和各部分的主要功能,并对系统的通信部分进行了阐述。
  实现研磨抛光力的恒定控制前,必须对研磨执行机构进行系统辨识得到系统的数学模型。文章分别用最小二乘法和粒子群优化算法对研磨系统进行系统识别,建立了被控对象的辨识模型。
  研磨过程中如何保持研磨力恒定是本文研究的核心内容,针对这一问题,分别设计了模糊PID控制器、双口内模控制器和RBF神经网络滑模控制器对系统进行力控制仿真和实验,最终RBF神经网络滑模控制器能够达到系统要求的性能指标。
  当工件的表面曲率急剧变化时,研磨抛光工具与工件的接触面压力分布不均匀,针对这一情况介绍了应用赫兹接触力方程实现恒定压力研磨的方法,并对在研磨抛光过程中影响接触面不同点研磨压力的因素进行了仿真,结果表明研磨点的曲率半径对压力的影响最大。

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