摘要：抛光和磨光是零件最终的加工过程，直接关系到最终产品的品质。在现代工业生产中，机械臂取代手工操作已是大势所趋。航空发动机叶片、风扇叶片等小型零件的精确CAD建模困难，目前对该类零件的加工仍依赖手工操作，自动化水平不高。所以本文在研究过程中，可拓展其应用范围，提升其智能化生产程度，并有效缓解传统手工抛磨带来的难题。本文面向叶片抛磨机器人设计及路径规划，研制一种具有自动生产的抛磨机，并以该新型抛磨机为例，研究基于该新型抛磨机的非建模加工零件的局部建模与轨迹规划等关键科学问题。

关键词：叶片抛磨；机器人；结构设计；路径规划

叶片抛磨机器人的特点是：抛光机的工作带宽响应范围大，抛光机的力和抛光机的旋转速度可以很好地配合。利用ANSYS软件，对抛光头部的关键零部件进行了强度验算。在此基础上，以抛光头的机械-机械结构为基础，建立包含机械臂的机械——机械一体化控制体系。针对加工过程中存在的接触和非接触检测问题，研究了加工过程中不需要建模零件的部分建模和检测部件的设计，并采用了一种基于局部建模的算法，该算法可以在每个路径上建立零件的局部化描述，为了更好地利用该检测装置，对其进行了校准。

1.国内外关于叶片抛磨机器人的研究进展

工业机器人是一种具有机械、电子和计算机相结合的多个关节操作臂或多个自由度的机械臂；其是一款以人工智能为核心，融合了众多领域的前沿科技，是一款具有高度智能化特征的新型工业装备。美国机器人学会（RIA）对其进行了定义，即利用计算机对驱动器进行编程，从而实现对物料及部件的运动的多用途机械手。日本标准化组织（ISO）对其进行了界定，认为其是一类可重复编程的多功能、可重复编程的机器。在国内，工业机器人被认为是一种具有高度柔性和智能化的自动化装备。目前，欧美，日本，韩国等先进产业的发达国家都已经不断进行开发使用。就比如在汽车工业、机械加工工业、电子电器工业、塑胶工业、食品工业、物流产业等得到了大量使用；同时比如在冲压、压力铸造、热处理、打磨、焊接、涂装等；在塑料产品成型、机械加工和简易组装等过程中，也可以用来替代人类进行对身体有危害材料的处理或加工。所以，大量使用工业机器人不仅可以减少工人的工作强度，还可以增加生产率，节省劳动力和物料消耗，减少生产加工费用。在自动化大潮中，以工业机器人为代表的一种新型科技，使得对其进行科技研究的热潮也随之兴起。

2.叶片抛磨机器人整机机构的总体设计

2.1叶片抛磨机器人的基础结构

叶片抛磨机器人工作台由叶片抛磨机器人臂、控制柜、主轴存储平台、防护栏杆、立体悬浮加工平台等五个部件构成。

2.1.1叶片抛磨机器人臂

叶片抛磨机器人臂是一种多关节型的机械操纵臂的结合体，它的主体结构包括机械主体结构和传动机构，它可以被分解为三个部件，即刚性的连杆，连杆之间能够进行相对旋转的关节以及终端执行机构。终端执行机构可以按照作业要求进行更换，如焊枪、打磨头、吸盘、手爪、以及扳手等各种工具。

2.1.2机械手控制箱

其中，机器人的控制系统以机器人的控制为主，它是整个机器人的神经系统，它的作用就是对信息进行加工和与人类进行互动，可以对由各传感器接收到的信号进行收集和处理；根据预先存储的信息、工作环境以及当前的工作状态等，生成对应的控制信号来实现对机械臂各个关节的旋转。

2.1.3主轴存储平台

主轴储存工位以储存漂浮的锭子为主，便于机械手的更换。

2.1.4防护栏杆

防护栏杆的功能是为了避免机械臂抛光时所造成的碎屑飞溅而造成的伤害。

2.1.5立体悬浮加工平台

三维悬浮工作台是利用一种三自由度的并联结构，将被加工零件的模具架固定在工作台上；完成了并联机器人与六轴机器人的协作，利用高性能的运动控制器，实现了并联平台的传动。

2.2叶片抛磨机器人的基本结构参数

叶片抛磨机器人的主要工作就是将工件各部件进行合理的配合。目前，叶片抛磨机器人的结构形态有很多，其传动机构的选择也各不一样，现将针对工作任务的需求，对叶片抛磨机器人的各主要部分进行结构与驱动模式的设计。因为叶片抛磨机器人的使用和顾客的需要不同，所以各个厂家对叶片抛磨机器人的技术参数并不是很一致；但是，叶片抛磨机器人的关键技术指标基本上是一样的，它们都是扩展自由度、移动速度、工作精度、工作面积、承载能力等方面的重要方面。在实际工程中，需要充分利用各种不同的工艺指标，以满足不同的要求。

2.2.1自由度

在设计叶片抛磨机器人基础上，提出了一种新的运动方法，也就是自由度。机械臂的端部可以在整体坐标系统中进行自主的移动，增加了多个自由度，使其运动更加敏捷，更具一般性，但是与之对应的机构也比较复杂；所以，在设计过程中，首先要解决的问题就是如何选取合适的自由度。

2.2.2运动速度

机器人的移动速率直接关系到机器人的负载和位置精度，是衡量机器人作业质量的重要指标，直接关系到机器人的平稳性、位置精度以及工作效率。

2.2.3工件精度

机械臂工作的准确性，主要表现在其位置与反复位置两个方面。而在此基础上，提出了一种新的方法来提高系统的性能，也就是反复定位准确性是指机械臂在移动时能够多次达到目的点。机器人的位置精度与其自身的刚性及强度密切相关，是评价其工作特性的一项关键技术参数。

2.2.4工作区域

工作区是由机械臂和腕部接触到的全部空间点组成，又称为工作区。在此基础上，提出了一种基于机械臂的机械臂运动控制方法。一般来讲，以它在竖直和水平两个方向上的投影关系。

2.2.5载重能力

载荷容量是指某一特定作业区域中，某一特定位姿下，能够承受的最大载荷，特别是终端驱动器、工件等载荷的重量。

2.3叶片抛磨机器人的总体规划

通常情况下，叶片抛磨机器人可以分成两类：平面型关节机器人和空间型关节机器人。通常，多个自由度的空间铰接机械臂可以被分解为多根末端连接的开放式串联杆（铰链臂）系统，各结构在其关节上配置对应的驱动装置，且各执行机构彼此相对独立，无主次关系，具有较高的灵活性。本文介绍了一种用于叶片抛磨机器人的人工关节臂系统，并对其进行了研究。总体框架的总体方案通常包含了机器人的自由度选择，总体框架的初步结构，关键部分的结构设计；建立了组装模型，检查了各关节的设计是否合理，检查了主要零件的刚性和强度，并对其进行了优化。

2.3.1自由度的确定

选择合适的自由度个数是整个系统中最重要的一环，它直接影响到整个系统的性能。通常情况下，六臂机械臂可以在空间中执行任何任务。所以，在焊接、打磨、组装、喷射等对柔性要求很高的轻型环境，一般采用六个自由度的铰接式机械臂。

2.3.2设计出总体机构的基本构架

当整个系统的构架较大时，其总的重量及转动惯量也较大，因此其在移动时会受到较大的惯性力，因此需要较高的刚性与强度；同时也会导致系统的失稳，甚至产生振动、冲击等不利条件，从而导致系统动态特性下降；所以，在设计时，要尽量减轻系统的重量，同时要考虑到移动部件的重心相对于转轴的惯性矩。

2.3.3对主要零件进行优化

机械臂的刚度、使用寿命和刚度等关键技术指标直接关系到机械臂的工作特性。针对工作需要，叶片抛磨机器人的主体机械臂由六部分组成：基座、腰部、大臂、小臂、手肘、手腕，还有电机、减速箱等标准零件的设计和选择。

2.3.4组装体试样

依据零件与旋转接头的空间位置关系，实现零件的3D组装，获得其组装模型（即“虚拟原型”），并通过检测装配体的精度，验证装配精度。

2.3.5对铰链手臂的结构进行了优化设计

叶片抛磨机器人利用一种新型多自由度机械臂结构的新方法，即将其分解成杆状结构，并对其进行运动学、动力学的计算；得到了杆件的加速度、速度和位置等动力学参量，为后续的特定3D模型的模拟和计算打下基础。

2.3.6对各零部件如铰链臂的刚度和强度进行校核，并对其进行了优选

叶片抛磨机器人采用ANSYS对各主要构件进行了刚性及强度计算，并根据各主要构件的刚度及强度指标，判定各主要构件的安全性能。

3.叶片抛磨机器人运动轨迹的设计

基于特定的评估准则、针对特殊的作业环境，研究出一-条从初始运动到最终运动的运动轨迹，并以最优化和准确的方式，实现运动机构在障碍规避时的姿态、速度和加速度等运动参数的控制。如果在没有适当的路径规划下，就会出现不可预知的情况，这将会使机器人在碰撞时产生碰撞，甚至会穿过一些不想要的点，使之不能准确地移动。因此，本文对叶片抛磨机器人进行了路径规划和模拟。

3.1叶片抛磨机器人的运动路径设计

3.1.1轨迹规划的定义分析

轨迹规划是以机械人的运动学与动力学为依据，通过机械臂的运动与动力学，使其在给定的路径上生成一系列的运动参数。在笛卡尔坐标系和联合坐标系下都能实现运动的路径规划。通常，在空间上，将各自由度的自由度转化为随时间变化的函数（角函数），并以一阶、二阶（角加速度）求出期望的运动。在直角坐标系下，将执行器的位置、速度和加速度表达为随时间变化的数学模型，并利用该模型计算各关节的位置、速度、角加速度等参数。以堆垛机器人为研究对象，研究了其初始位置与目的位置，也就是起始位置与终点位置。但是，也有一些机器人，例如：在焊缝和表面处理方面，它们不但要确定末端执行机构的起点，而且要确定它们的末端与末端的端点。必须遵循特定的路线。这种情况叫做轨迹计划的连续动作。

3.1.2航迹生成技术探讨

在叶片抛磨机器人的运动规划中，机器人的运动路径设计可以分为两种：一种是在笛卡尔空间进行运动，另一种是在运动过程中产生运动，该方法不依赖于初始与终点的轨迹，而是将各关节参数作为随时间变化的函数表达，并能有效地克服由笛卡尔规划产生的机械奇异性导致的系统失稳等问题。在此基础上，对机器人进行了多自由度的空间设计，确保了机器人的路径通过指定的。但是，在笛卡尔的几何模型下，轨迹的生成却非常的困难。当机器人对机器人的运动路径有特定的需求时，如在起点到终点间做一条直线，或是做一条圆弧，则必须在笛卡尔空间中完成机器人的轨迹规划。

3.2笛卡尔（Cartesian）运动（Correction）轨迹的分析

笛卡尔运动轨迹问题的空间分析，就是通过求解机器人在各路径上的位置来实现机器人手臂在给定的运动轨迹上的位置。简单地讲，在笛卡尔的空间坐标下，通过对各个关节的轨迹进行求解，得到各个分支上的各个分支的运动轨迹。在笛卡尔坐标系下，几乎任何一种运动学算法都可以应用到机器人的运动轨迹中。与传统的笛卡尔坐标法不同，基于笛卡尔坐标的运动学优化方法需要对其进行多次迭代求解，从而实现了对任意一个自由度的精确控制。在笛卡尔空间中，由于逆运动学方程具有良好的不唯一性，使得笛卡尔的轨道在空间中生成的轨迹并不唯一，这使得在基于笛卡尔的坐标系下的轨道设计变得非常困难。在笛卡尔坐标下，笛卡尔坐标系统中的运动轨迹与机械臂的运动参数之间存在着相互耦合的关联；因此，在运动过程中极易涉及到工作空间及奇点等相关问题。但是，直角空间轨迹规划技术因其能够直接反映出运动的运动轨迹而被许多研究人员和企业所采用，成为了一种非常重要的运动轨迹规划技术。在笛卡尔的空间运动中，最常见的两种算法是弧插值和直线插值等。采用圆弧型插补器，其末端执行机构采用圆弧型，而采用线性插补式，则采用直线型插补法。

结语

总而言之，叶片抛磨机器人以其优良的工作特性及低廉的制造价格，已被广泛地运用于抛磨加工中。但是，目前该技术还停留在示教重现阶段，对于一些比较复杂的零件，该方法并没有得到大面积的推广。为此，开发适合于叶片抛磨机器人轨迹规划方法具有十分重大的意义。针对传统叶片抛磨机器人抛光过程中存在的刀具与轨迹之间存在的“自交性”问题，提出一种基于映射与轮廓提取的偏置刀触线去除方法，提高抛光过程的精度与效率。首先，研究余高方法的运动轨迹产生机理；其次，对运动轨迹产生过程中刀触线产生自交现象的机理进行深入研究，并针对该问题，拟采用映射与余高方法相结合的方法，研究带有余高的运动轨迹自动生成方法；最后，开展数值模拟及试验验证，以此来满足工件的加工质量。

参考文献：

[1]杨志坚.叶片抛磨机器人设计及路径规划研究[D].西安理工大学，2023.

[2]李瑞.钢坯缺陷修磨机器人系统的设计与实现[D].北京化工大学，2023.

[3]周伟.基于西门子PLC的自动修磨机器人自动化系统设计[J].冶金动力，2022，（05）：92-96.

[4]洪志佳.面向卫浴陶瓷素坯抛磨的机器人恒力执行器设计与控制[D].佛山科学技术学院，2022.

[5]熊次远，杨桂林，刘立涛，冯凯，陈庆盈，张国龙.面向抛磨机器人的高精度力控装置设计与分析[J].组合机床与自动化加工技术，2022，（04）：157-161.