面向加工精度的机床系统误差建模与分析方法

研究并掌握机床各部件单元位姿误差对零件加工质量的影响规律,可以有效提高机床精度设计及误差补偿效果。以车削加工为例,建立了系统源误差与零件加工质量之间的关系模型。建模工作分为两个部分:首先采用虚拟加工原理,建立执行部件(刀具和工件)单元位姿误差与零件加工质量之间的数学仿真模型;然后建立车床工艺系统误差源与执行部件位姿误差之间的传递模型,两个模型可以集成为一个整体。在阐述总体研究思路与方法的基础上,侧重介绍第1部分研究工作,利用多体系统运动学和齐次坐标变换原理建立刀具和工件之间的运动学关系,通过Matlab虚拟工件被加工、测量和评定,实现了最终执行部件源误差到工件加工质量之间的映射。最后给出了分析方法示例。     

固定电机驱动的平面关节型机器人无参数运动学标定

针对传统平面关节型机器人（简称SCARA）运动臂质量大的缺点,设计一种固定电机驱动的SCARA。为提高其 精度用无参数化标定的方法进行运动学标定,根据D-H方法,在空间坐标转换的基础上建立了该SCARA的数学模型, 得到杆件间相对位置关系;通过外部测量设备测出末端执行器的位姿,利用运动学正逆解解出实际位姿与理论位姿之间 驱动输入的差值,补偿到理论的输入中,得到补偿后的动平台位姿。通过计算机仿真表明该标定方法能极大提高末端执 行器的位置精度,证明了无参数化标定方法的有效性和可靠性。     

基于GRN模型精密机械手末端映射关系

针对相邻关节误差对机器人末端的精度影响等问题,鉴于生物细胞自组织GRN模型的运行机理,提出基于GRN模型机械手精度的映射关系,研究机械手运动学模型和GRN模型的结构特性,分析机械手相邻关节误差的累积与GRN模型中细胞间的作用特点,求解基于GRN模型机械手相邻关节影响的误差模型,考虑在几何因素的影响下,以3R机器人为研究对象,建立求解机械手末端位姿的误差值,采用基于自适应粒子群算法优化的PID神经元模型对其进行误差优化,获取粒子群算法的进化过程和PID神经元控制器的控制曲线。仿真表明:基于GRN模型重载机械手相邻关节误差模型的有效性与合理性得到了验证,且机械手相邻关节引起的末端误差得到了有效控制。     

六自由度并联机构的误差分布研究

针对制造和安装误差对并联机构末端位姿精度的影响问题,以六自由度Stewart并联机构为研究对象,在建立运动学正解一阶误差模型的基础上,结合泰勒展开式推导出Stewart并联机构末端的位置和方向误差与驱动器不同长度变化之间非线性关系式;并用MATLAB软件仿真分析结构参数误差存在的条件下,工作空间中六自由度Stewart并联机构末端位姿误差的分布情况。分析结果表明：不同位姿下,位姿误差存在差异;在x轴正方向上,位姿体积误差的变化规律具有一致性,均随x轴正方向的移动而逐渐增大;[JP2]同时位置体积误差的变化幅值远大于姿态体积误差的变化幅值,并且最大位姿误差出现在可达工作空间边缘的顶部位置。研究结果为该并联机构后续进行精度综合及误差补偿提供参考依据。     

航空复杂曲面加工精度预测及影响因素分析

在综合考虑机床动静态因素的基础上,建立了各运动轴伺服运动模型和多体联动模型,给出了刀具的实际运动位置和姿态,基于包络理论求解了零件实际铣削成形点、线和层面,采用曲面造型方法构建出零件型面的综合误差。以复杂非可展曲面——"S"试件为例,进行了加工误差的预测和分析,给出了位置环、速度环等机床重要参数对工件铣削精度的影响,并通过切削试验后的数据回归分析予以验证。该平台的搭建为实现航空关键零件加工精度预测提供了技术支撑,依据计算结果可实时调整机床的动态参数,评估机床的加工状态。     

阀门喷涂机器人的轨迹规划与优化求解

为对特定阀门工件的外表自由曲面进行精确喷涂,提出以阀门外形尺寸和机器人本体结构为约束条件,对喷涂 机器人的工作空间进行了合理优化。利用MATLAB对多变量有约束非线性函数优化求解,得到了机器人主连杆杆长以 及相应的关节转角范围;对阀门进行了参数描述,并建立喷涂轨迹路径数学模型;通过基于ADAMS的虚拟样机建模、运 动仿真和MATLAB数值求解的相互协同和相互验证,得到了合理的关节角逆解。通过优化后的逆解进行仿真喷涂验证 了轨迹规划和优化求解方法的合理性。     

基于LM算法的机器人运动学标定

机器人参数估计与误差补偿的标定方法是提高机器人末端位置定位精度的重要手段。课题组建立UR3机器人DH参数运动学模型,基于机器人末端工作空间的出现频率概率分布确定机器人测量空间域;以激光跟踪仪测量空间域内的机器人末端位置,构造出机器人末端位置误差与几何参数集间最小二乘方程目标函数,利用自适应步长的LM(Levenberg Marquardt)算法对其进行迭代求解,进行参数估计得到几何参数标定值,以此修正机器人系统理论运动学模型结构参数集。最后对标定结果进行验证和分析,结果显示标定后最大误差降低了47.48%,平均误差降低了37.98%,均方根误差降低了40.40%,证明了该标定方法的有效性和可靠性。     

新型二自由度并联机构运动学标定方法

精度不足制约着并联机构的发展,传统的并联机构运动学标定方法可以在一定程度上提高并联机构的精度,但 其缺点在于对测量仪器的要求较高,计算量较大。针对一种新型二自由度并联机构,运用无参数化标定的方法对机构进 行运动学标定。该方法不需要进行参数辨识,只需要通过外部测量设备测出机械手末端执行器的位姿,利用运动学正反 解解出实际位姿与期望位姿之间驱动输入的差值,补偿到理论的输入中,即可得到补偿后的动平台位姿。计算机仿真结 果表明,这种方法可以有效地提高动平台定位精度,证明了无参数化标定方法的有效性和可靠性。     

CTS机构几何误差分析及补偿

分析了风洞现有分离体模型6自由度机构(简称CTS机构)的几何误差,研究了误差产生的原因,包括机构总体坐标系与风洞固定坐标系不重合的零位误差、直线运动导轨与机构总体坐标系轴线不平行产生的误差,以及偏航俯仰轴线与理想设计轴线不重合引起的分离体模型位姿误差。建立了误差模型,并将分析得到的各项误差通过最小二乘法拟合得到误差函数补偿到运动学正解方程中,再通过牛顿迭代法求取补偿后的运动学逆解,实现对CTS机构的误差补偿,提高机构的运动精度。通过标定试验,对三轴联动的误差补偿效果进行验证,得出了补偿后比补偿前定位精度提高88.21%的结论,证明了补偿方法的有效性。     

基于逆向工程的叶轮叶片建模

逆向工程( Reverse Engineering)主要的步骤包括点云的获取与预处理,曲面重构,模型重建及数控加工等技术。 为了探索含有自由曲面特征的叶轮在逆向设计过程中点云处理及曲面重构的的关键技术,验证相关的预处理方法与曲 面重构的原理。文章以叶轮叶片作为研究对象,利用随机滤波的方法对激光线扫描法获取的数据进行噪声点处理,去除 了点云中的多余数据及随机噪声,分析了曲面重构的原理并通过NURBS曲面操作方法完成了叶片的曲面重构,得到叶 轮整体的三维模型。最后,对通过逆向得到的叶轮模型进行了精度检测与验证。研究结果表明,利用逆向工程技术提高 了产品的设计质量,缩短了研发周期。     

胎头位置和宫颈扩张监测方法的研究

基于空间几何原理和超声多普勒三角测量法,提出了一种胎头位置、宫颈扩张的自动测量方法,以替代产科临床使用的传统手工触诊法。研究建立了跟踪定位测量系统模型,讨论了可能引发测量误差的原因。设计并实现了超声多普勒跟踪定位系统,包括超声传感器系统、超声驱动/接收电路和测控系统软硬件。模拟测试表明,所设计的系统对胎头位置和宫颈开口的5次测量平均值绝对误差小于0.25cm,远小于传统手工触诊法的平均误差2.0cm。     

调速用旋变编码器误差分析与校正

旋变编码器受误差因素影响,会在转速位置测量时引入周期性波动,不利于运动控制。对此提出了基于电压矢 量和转速的误差校正方法,采用电压矢量计算直流偏置和幅值偏差并对其进行校正;采用转速谐波幅值计算相位偏差并 对其进行校正。实验结果表明转速位置波动得到了很好的抑制。该方法能有效校正旋变编码器误差。     

机器人操作器系统自适应控制算法设计

由于不可避免地存在负载、摩擦及间隙等因素的影响,常见机器人操作器系统的数学模型是一组系数未知的非线性微分方程。本文根据该数学模型,借助于对输入转矩的特殊补偿,首先导出了一种新的自适应控制算法,使常见机器人操作器系统的状态误差在幅度上比用常规自适应控制算法得到的误差要小;为了减小笛卡尔(Cartesian)坐标误差,还引入一种雅可比(Jacobian)关系,并将这种关系用于李雅普诺夫(Lyapunov)直接法设计,由此而设计的自适应控制算法进一步使系统的笛卡尔坐标误差减小。计算机仿真结果证明了本文所设计自适应控制算法的优良性能。     

食品检测咀嚼机器人灵活性分析与运动仿真

为了解决目前食品检测中检测不准确,反馈速度慢,评价不客观等问题,设计了基于Stewart平台的咀嚼仿生机 器人;介绍了咀嚼仿生机器人的工作原理;推导了机构的雅克比矩阵;分析了机构在中位时的局部灵活性;建立了仿真咀 嚼平台的虚拟样机模型;模拟了下颌简单的张合运动。仿真结果表明驱动杆的各种物理量变化曲线与人类真实咀嚼运 动比较吻合,机构的设计合理可靠。该机构能准确、快速、客观地实现食品的检测。     

管-管相贯线机器人焊接枪体姿态的拟合

针对管一管相贯线机器人焊接焊缝,提出了其具有不一致的角焊缝和焊接接头深度的特点,指出了管一管相贯线 的全位置焊接对焊接机器人的要求,通过MATLAB分段拟合的方法得到机器人坐标系下6个轴的坐标与工件坐标系坐 标的关系曲线,即焊接机器人的枪体姿态,为后续通过对焊接机器人焊枪姿态的合理设定和工艺参数的优化来保证相贯 线焊缝的成形质量的研究奠定基础。     

转子自动平衡理论及应用研究

对转子自动平衡问题进行了理论和应用研究。针对自动平衡的特点,对振动系统的力学模型进行了新的分析,指出:运用补偿方法,可以得到精确的系统模型,克服了传统通用平衡机中存在的原理误差;提出了一种软、硬支承自动平衡机的通用测试理论,详细介绍了研制的自动平衡系统的主要功能和技术关键。     

广义合作目标跟踪的误差空间估计方法

提出了广义合作目标的概念及误差空间估计方法,提高了光电跟踪系统的跟踪精度与平稳性。该方法采用引导数据与引导误差描述目标的运动,通过将目标的机动分散到引导数据和引导误差,在目标状态空间中根据目标的运动模型进行滤波,在误差空间中根据引导误差模型进行滤波与预测,再进行合成得到目标位置预测数据。实验结果表明在相同的机动水平下,该方法的跟踪性能优于Kalman滤波与强跟踪滤波。     

一类轧机自激振动现象的分析与解决

研究了1420冷连轧机的自激振动现象，建立了轧辊的振动数学模型，并运用多尺度摄动法进行分析求解，提出了解决自激振动的方法．实验表明，该方法可有效地控制轧辊的自激振动，提高系统的稳定性、     

连续小线段局部光顺插补算法

连续小线段是目前国内机床加工最常用的刀具路径形式,针对连续小线段路径的不连续性造成的机床速度、加速度剧烈波动,笔者提出了新的局部光顺算法。首先运用有理Bezier曲线对小线段连接处进行光顺插补和光顺转接,实现了过渡光顺的G3连续;然后运用生成的新的刀具路径,考虑弓高误差和近似误差的影响,建立误差分配模型;综合考虑2种误差影响的情况,根据机床法向加速度等约束进行速度插补。仿真验证表明误差分配模型能更好地保证综合误差不超过给定精度。模型具有有效性。