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引用论文
邓建新, 袁邦颐, 黄秋林, 丁度坤, 辛曼玉, 刘光明. 基于工业机器人的复杂曲面磨抛关键技术综述[J]. 机械工程学报, 2024, 60(7): 1-21.
DENG Jianxin, YUAN Bangyi, HUANG Qiulin, DING Dukun, XIN Manyu, LIU Guangming. Review on the Key Technologies of Complex Surfaces Polishing Based on Robots[J]. Journal of Mechanical Engineering, 2024, 60(7): 1-21.
http://www.cjmenet.com.cn/CN/10.3901/JME.2024.07.001
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行业现状
图1 大型曲面的磨抛加工
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论文亮点
基于工业机器人的磨抛加工原理
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1. 磨抛机器人系统的分类
工具型系统：工件固定，机器人通过安装在末端的打磨工具完成磨抛，适用于大型和复杂曲面零件。
工件型系统：机器人抓取工件并送到固定的打磨设备，完成不同工艺的打磨加工。
2. 磨抛运动模型
工具型磨抛的模型展示了磨粒在工件表面的运动轨迹及其力学分析。该运动模型通过方程描述了磨抛轮与工件的相对运动以及接触力的产生。
3. 磨抛接触力分析
磨抛接触力是摩擦力与压力的合力，分为法向、切向和轴向打磨力。不同方向的打磨力对工件的加工深度和表面质量产生影响。
4. Preston方程
描述了单位时间内待加工材料的去除量与接触区域压强的关系。打磨效率和质量与工具和工件之间的相对速度密切相关。
图2 磨抛机器人系统
图3 磨抛运动模型
复杂曲面磨抛路径规划研究现状
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1. 复杂曲面的表示方法
复杂曲面的自由度高：复杂曲面（如汽车轮毂、航空叶片等）难以通过传统显式方程表示，通常采用参数方程（如NURBS方法）来建模，这种方法在现代曲面造型和加工路径规划中应用广泛。
NURBS在复杂曲面中的广泛应用：非均匀有理B样条（NURBS）成为现代工程中复杂曲面的主流描述方式，尤其是在航空、汽车等高精度领域的曲面描述与加工路径规划中。
NURBS曲面控制的灵活性：通过双参数的B样条基函数，可以对复杂曲面的形状进行精确控制，使其能够适应工业中的高精度加工要求。
2. 工业机器人磨抛加工路径规划
工业机器人磨抛路径的离散化：磨抛刀路规划需对加工路径进行离散化处理，通过选择节点形成刀位点，并通过逆运动学计算出各节点的关节坐标，确保路径跟踪精度。
多种传统数控加工方法的应用与改进：例如等弦高误差法、等参数线法等传统数控方法被改进并应用于机器人磨抛中，但仍有精度与效率上的挑战，如刀纹的产生和路径的精度。
多向性路径规划的创新性：提出了基于多方向性分布的路径规划方法，以消除磨抛过程中的刀纹和纹理不均匀问题，提升工件表面精度。
机器人运动特性与磨抛路径规划的结合：为提高路径跟踪精度，机器人末端姿态优化是关键，涉及逆运动学计算与避免奇异位姿的问题。
避免干涉的优化策略：磨抛过程中，需通过调整刀具姿态避免机器人本体、工具与工件的碰撞和干涉问题。
图4 工具坐标系与局部刀位点坐标系
图5 刀具路径点示意图
机器人磨抛柔顺力控制方法现状
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1. 被动柔顺力控制研究
解耦力控与位置控制：被动柔顺力控制通过柔顺性机械结构实现力控与位置控制的解耦，简化了控制系统设计，广泛应用于机器人磨抛操作。
可调节的被动柔顺结构：目前，研究重点集中在通过气缸或液压缸实现可调节的被动柔顺单元，如自适应气动法兰等装置，可根据不同加工对象自适应调整柔顺性，提升加工的精度与效率。
局限性与未来发展方向：被动柔顺装置在提升作业灵活性方面效果显著，但由于力控制的动态范围较小，容易导致位置跟踪精度下降，且柔顺力的响应速度有待提升。未来研究方向包括模块化、线性化与高精度的被动柔顺装置的开发。
2. 主动控制策略
阻抗控制策略：通过调节机器人末端执行器的位置、速度和接触力之间的动态关系实现力控制。阻抗控制不直接控制交互力，而是通过二阶系统模型进行调节，常用的模型包括自适应阻抗控制和基于智能算法的阻抗控制。
自适应控制的应用：当前的研究通过自适应技术来应对环境中的不确定性，增强模型的鲁棒性。自适应阻抗控制方法能够根据力误差进行实时调整，但仍面临收敛速度和控制精度的挑战。
智能控制策略：通过神经网络等智能算法进行参数调整和误差补偿，RBF神经网络广泛应用于阻抗控制模型的不确定项逼近，但仍面临大数据需求和逼近精度提升的难题。
3. 主-被动柔顺相结合的柔顺控制
主动与被动控制结合的优势：主-被动柔顺控制结合了主动控制的精度与被动控制的灵活性，提升了系统的鲁棒性与响应速度，适用于复杂曲面的磨抛加工任务。
典型应用与发展：如通过视觉系统实现主动避撞与被动柔顺的结合应用于工业打磨任务，提高了系统对多样化任务的适应能力。未来研究方向侧重于协调主动和被动柔顺之间的关系，提升整体控制的性能和适用性。
图6 机器人磨抛的柔顺力控制方法
图7 被动柔顺单元
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结论与展望
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推荐阅读
作者及团队介绍
5
主创作者团队主要研究方向
6
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作 者：邓建新
责任编辑：杜蔚杰
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