曲面柔性制孔末端執(zhí)行器動(dòng)力學(xué)與控制.pdf

1、曲面柔性制孔末端執(zhí)行器可以安裝在工業(yè)機(jī)器人或者柔性軌道上組成曲面柔性制孔機(jī)器人，它是機(jī)器人自動(dòng)化柔性制孔的關(guān)鍵部件。其主要功能是進(jìn)行曲面外法向矢量的在線測(cè)量與計(jì)算，進(jìn)行法向姿態(tài)調(diào)整，對(duì)被制孔部件的材料實(shí)施壓緊后制孔。它不僅可以在機(jī)身、翼面及尾翼等小曲率部位進(jìn)行精確制孔，而且可以在起落架、引擎等空間小、曲率大的部位進(jìn)行自動(dòng)化制孔。與使用托架進(jìn)行法向姿態(tài)調(diào)整并配有大量刀具的大型高剛性復(fù)雜自動(dòng)化制孔設(shè)備相比，它具有靈活方便、低成本、模塊化、高

2、度柔性以及更好的人體工學(xué)等優(yōu)勢(shì)。因此，曲面柔性制孔末端執(zhí)行器在航空制造與裝配業(yè)中具有廣闊的應(yīng)用前景。
　　 本文從工程應(yīng)用的角度出發(fā)，對(duì)曲面柔性制孔末端執(zhí)行器的運(yùn)動(dòng)學(xué)特性和動(dòng)力學(xué)特性進(jìn)行了分析，提出了一種曲面外法向矢量的快速測(cè)量與計(jì)算方法，針對(duì)法向調(diào)整單元設(shè)計(jì)了不同的動(dòng)力學(xué)控制策略，并進(jìn)行了仿真與實(shí)驗(yàn)對(duì)比;針對(duì)進(jìn)給單元設(shè)計(jì)了兩種位置控制策略，并進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)對(duì)比;針對(duì)壓緊單元設(shè)計(jì)了力控制策略與力/位置混合控制策略，并進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。

3、論文的主要研究工作如下:
　　 1.在曲面柔性制孔末端執(zhí)行器運(yùn)動(dòng)學(xué)分析的基礎(chǔ)上，采用均勻布置在主軸四周的四個(gè)位移傳感器，測(cè)量出曲面在制孔點(diǎn)區(qū)域的四點(diǎn)坐標(biāo)，計(jì)算出空間中與這四個(gè)坐標(biāo)點(diǎn)相切的球面，聯(lián)結(jié)球心到制孔點(diǎn)的矢量即可得到曲面在制孔點(diǎn)處的外法向矢量。仿真結(jié)果顯示，該方法的法向測(cè)量與計(jì)算精度明顯高于三點(diǎn)法曲面法向矢量的測(cè)量與計(jì)算方法。
　　 2.分析了末端執(zhí)行器法向姿態(tài)調(diào)整的動(dòng)力學(xué)特性，建立了末端執(zhí)行器法向調(diào)整單元的動(dòng)力學(xué)

4、模型。提出了基于模型的比例-微分(PD)控制策略和基于模型的滑模變結(jié)構(gòu)控制策略。仿真結(jié)果顯示，滑模變結(jié)構(gòu)控制策略的控制精度更高，魯棒性更強(qiáng)。
　　 3.應(yīng)用基于MATLAB RTW的xPC目標(biāo)環(huán)境搭建了實(shí)時(shí)控制實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，針對(duì)法向姿態(tài)調(diào)整的動(dòng)力學(xué)控制，提出了基于非線性積分鏈?zhǔn)轿⒎制鞯幕Ｗ兘Y(jié)構(gòu)控制策略和模型參考自適應(yīng)控制策略。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，模型參考自適應(yīng)控制策略控制精度更高，魯棒性更強(qiáng)。
　　 4.應(yīng)用矢量積法求解了曲面柔

5、性制孔機(jī)器人雅克比矩陣，規(guī)劃了末端執(zhí)行器每個(gè)旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)軌跡。然后根據(jù)機(jī)器人末端的軌跡要求，設(shè)計(jì)了軌跡規(guī)劃器，由軌跡規(guī)劃器計(jì)算出制孔機(jī)器人其它關(guān)節(jié)的軌跡，并由各自位置控制器進(jìn)行控制。
　　 5.建立了末端執(zhí)行器進(jìn)給單元的動(dòng)力學(xué)模型。針對(duì)進(jìn)給單元的位置跟蹤控制，提出基于降維狀態(tài)觀測(cè)器的極點(diǎn)配置狀態(tài)反饋控制策略和模型參考自適應(yīng)控制策略。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，模型參考自適應(yīng)控制策略控制精度更高，魯棒性更強(qiáng)。
　　 6.建立了末端執(zhí)行