智能制造关键技术与工业应用丛书--机器人磨抛理论、技术与应用

航空航天、轨道交通、先进汽车等运载装备领域的复杂零件通常具有结构/型面复杂、材料难加工等特点，并根据几何尺寸可分为小型复杂曲面（如航空发动机叶片、车用钢铝构件等）和大型复杂构件（如高铁白车身、新能源汽车车身等）两类。传统手工作业和专用数控机床加工是目前制造这类复杂零件的主要手段。但前者作业效率低下、加工一致性差、质量保障困难；后者造价昂贵、制造柔性不足、安装调试复杂，严重制约复杂零件高效高品质加工。 
近年来，以工业机器人为制造装备执行体的机器人化智能加工逐渐成为上述复杂零件高效高品质制造的新趋势。与同等操作空间的数控机床相比，加工型机器人的主要优势在于其低成本、操作灵活、可扩展性强。德国 Fraunhofer 研究所、英国UK-RAS 网络中心、新加坡Gintic 制造技术研究院，以及日本三菱重工、美国GE 公司，均致力于开发机器人加工系统，应用于航空、汽车等领域复杂零件加工制造。国家《“十四五”智能制造发展规划》中将机器人化智能制造作为国家战略予以重点发展，推动重点领域智能转型，并陆续实施“共融机器人基础理论与关键技术研究”重大研究计划、“智能机器人”重点专项等，旨在提升我国机器人技术的整体研究水平，实现产业融合的高质量发展。 
以应用最为广泛的机器人磨抛工艺为例，目前复杂零件机器人磨抛面临三大难题： 
（1）机器人加工系统精度提升难：机器人加工精度主要受到机器人-视觉单元（手眼）标定和工具标定误差的影响，此外，加工系统面临种种几何约束，如坐标系偏移、余量分布不均等，给加工系统精度保证带来挑战； 
（2）小余量去除柔顺控制难：复杂零件大曲率变化几何特征、砂带磨抛的宽行柔性接触特性之间的矛盾易导致材料去除具有极大不确定性（弹性变形、接触力变化等），影响加工过程的稳定性； 
（3）机器人磨抛系统集成难：现有商业机器人操作软件难以集成“测量-操作-加工”一体化工艺，需要根据复杂零件加工工艺特点，开发自主可控的专有工艺软件，减少程序生成时间和人工操作。 
为解决上述挑战， 研究团队在国家自然科学基金（52188102、51975443、52105514、52075203、52075204、52275506、51675394、51375196）、湖北省重点研发计划（2022BAA067）和湖北隆中实验室自主创新项目（2022ZZ-27）资助下，围绕机器人磨抛理论与技术开展了深入研究，并进一步凝练出当前磨抛智能化亟待解决的“精度控制、顺应控制、协同控制、效率提升”四个方面的技术难题，创新性地提出系统解决方案，并将其独创性地应用在机器人磨抛系统设计开发中，为机器人磨抛的未来发展提出了新的技术路径，形成了本书主要章节。主要分为三部分：基础理论篇，介绍了机器人磨抛的通用技术理论，以及几何误差建模理论和方法；关键技术篇，详细介绍了系统标定、恒力控制、轨迹规划、材料去除等技术的原理、算法、设计使用方法；应用案例篇，介绍压气机叶片机器人磨抛、增材修复叶片机器人磨抛、大型车身构件机器人磨抛3 个案例， 将技术落地应用。 
本书第1 章由朱大虎、李文龙、严思杰、华林共同撰写，第2 章、第4 章由徐小虎撰写，第3 章、第5 章由朱大虎撰写，第6 章由吴超群撰写，第7 章由朱大虎、徐小虎共同撰写。 
本书从构思到成稿历时三年，包含了作者指导的研究生王志远、吕远健、吕睿、吴浩、杨泽源、陈新渡、王宏丽等多年的研究成果，在此对他们的辛苦付出表示衷心的感谢。同时，深深感谢导师丁汉教授长期以来的教诲和指导，以及庄可佳教授、陈巍博士、张海洋博士、叶松涛博士等多位专家和同事在技术交流和实验验证上给予的无私帮助。 
机器人加工是智能制造领域的前沿技术，涉及内容很多，作者仅仅在系统标定、恒力控制、轨迹规划、工艺机理等方面开展了一点工作。限于作者研究水平，书中疏漏之处在所难免，恳请各位读者批评指正，共同为机器人加工这一前沿学术研究添砖加瓦。 

朱大虎 
2023年5月于武汉理工大学 

本书是作者团队在长期从事机器人加工技术研究成果基础上，面向智能制造的“磨抛”加工编写而成。共分3部分：基础理论篇，介绍了机器人磨抛的通用技术理论，以及几何误差建模理论和方法;关键技术篇，详细介绍了系统标定、恒力控制、轨迹规划、材料去除等技术的原理、算法、设计使用方法;应用案例篇，介绍了压气机叶片机器人磨抛、增材修复叶片机器人磨抛、大型车身构件机器人磨抛3个案例，将技术落地。本书可供从事机器人加工技术研发与工程应用的科技工作者使用，也可作为高等院校机械、智能制造等专业师生的教学参考书。

无

第1章绪论001 
1.1机器人磨抛重大需求001 
1.2机器人磨抛技术挑战002 
1.3机器人磨抛关键技术003 
1.3.1机器人磨抛系统标定技术003 
1.3.2机器人磨抛恒力控制技术004 
1.3.3机器人磨抛轨迹规划技术005 
1.3.4机器人磨抛材料去除工艺006 
1.4本书主要章节结构006 
参考文献007 

基础理论篇 
第2章磨抛机器人几何误差建模012 
2.1机器人建模方法与模型构建012 
2.1.1D-H 模型012 
2.1.2MD-H 模型013 
2.1.3机器人链路坐标系建模014 
2.2机器人运动学分析015 
2.2.1机器人正运动学分析015 
2.2.2机器人逆运动学分析017 
2.3机器人几何误差建模019 
2.3.1微分运动及刚体微分位姿误差建模019 
2.3.2局部连杆位姿误差建模021 
2.3.3机器人几何参数误差建模022 
2.4机器人误差模型修正与参数冗余性分析023 
2.4.1基坐标系误差修正024 
2.4.2关节柔性变形误差辨识026 
2.4.3误差模型参数冗余性分析029 
2.5机器人误差辨识和补偿试验033 
2.5.1参数辨识与MATLAB 仿真034 
2.5.2几何误差和关节柔性误差仿真036 
参考文献043 

关键技术篇 
第3章机器人磨抛系统标定技术046 
3.1机器人磨抛系统手眼标定046 
3.1.1手眼标定原理046 
3.1.2基于{Tool 0}下相对运动的手眼标定方法048 
3.1.3大型车身构件测量点云拼接056 
3.2机器人磨抛系统工件标定058 
3.2.1工件标定原理058 
3.2.2基于优化4PCS 算法的车身点云粗匹配059 
3.2.3精匹配算法分析062 
3.2.4基于WPMAVM 算法的车身点云精匹配066 
3.2.5车身构件点云匹配仿真076 
3.3机器人磨抛系统自动化标定软件078 
3.3.1软件开发环境079 
3.3.2软件功能介绍080 
3.3.3软件功能调试与使用说明082 
参考文献086 

第4章机器人磨抛恒力控制技术088 
4.1机器人磨抛过程力分析088 
4.2机器人磨抛主动力控制089 
4.2.1信号采集和处理090 
4.2.2零点漂移补偿和重力/重力矩补偿096 
4.2.3主动力控制策略分析100 
4.3机器人磨抛被动力控制115 
4.3.1一维力传感器标定方法115 
4.3.2一维力传感器被动力控制策略116 
4.4基于Kalman 滤波的主被动力信息融合控制118 
4.4.1Kalman 滤波信息融合技术118 
4.4.2主被动力控制信息融合技术120 
4.4.3钛合金零件机器人恒力磨抛实验122 
参考文献128 

第5章机器人磨抛轨迹规划技术130 
5.1机器人磨抛轨迹生成原理130 
5.1.1机器人磨抛方式130 
5.1.2轨迹补偿控制方法131 
5.1.3轨迹行距计算方法132 
5.2机器人磨抛轨迹规划方法133 
5.2.1叶片机器人磨抛轨迹规划算法135 
5.2.2基于Preston 方程的MRP 模型136 
5.2.3基于MRP 模型的轨迹规划算法优化139 
5.2.4机器人磨抛位姿优化144 
5.2.5机器人磨抛轨迹生成步骤145 
5.2.6机器人磨抛轨迹规划算法验证146 
5.3叶片边缘自适应轨迹规划方法149 
5.3.1机器人手眼标定与点云拼接149 
5.3.2基于优化ICP 的精准匹配153 
5.3.3零件扫描点云去噪处理154 
5.3.4叶片局部修整区域数据提取155 
5.3.5叶片机器人自适应轨迹规划158 
5.4机器人磨抛轨迹规划软件开发及试验159 
5.4.1软件系统框架设计及模块化分析159 
5.4.2机器人磨抛轨迹规划软件调试162 
5.4.3叶片边缘机器人磨抛及测量试验165 
参考文献177 

第6章机器人磨抛工艺机理分析179 
6.1机器人砂带磨抛过程分析179 
6.2基于Hertz 理论的材料去除模型181 
6.3基于磨粒形貌的材料去除模型185 
6.3.1单颗磨粒弹性变形分析187 
6.3.2基于单颗磨粒的材料去除建模188 
6.4机器人砂带磨抛工艺试验分析197 
6.4.1机器人砂带磨抛工艺参数分析198 
6.4.2机器人磨抛力建模与分析207 
参考文献223 

应用案例篇 
第7章机器人磨抛典型应用案例226 
7.1压气机叶片机器人砂带磨抛应用226 
7.1.1叶片机器人砂带磨抛系统组成226 
7.1.2叶片型面机器人砂带磨抛238 
7.1.3叶片前后缘机器人砂带磨抛242 
7.1.4叶片榫头和R 转角部位机器人砂带磨抛243 
7.2增材修复叶片机器人磨抛应用245 
7.2.1修复叶片机器人磨抛系统组成245 
7.2.2基于视觉的叶片增材修复区检测算法247 
7.2.3叶片增材修复区域自适应路径规划263 
7.2.4机器人自适应磨抛修复试验验证271 
7.3大型车身构件机器人磨抛应用282 
7.3.1车身构件机器人磨抛系统组成282 
7.3.2机器人手眼标定试验284 
7.3.3大型车身标定试验288 
7.3.4车身焊渣机器人磨抛试验验证294 
参考文献297

本书是作者团队在长期从事机器人加工技术研究成果基础上，面向智能制造的“磨抛”加工编写而成。共分3部分：基础理论篇，介绍了机器人磨抛的通用技术理论，以及几何误差建模理论和方法;关键技术篇，详细介绍了系统标定、恒力控制、轨迹规划、材料去除等技术的原理、算法、设计使用方法;应用案例篇，介绍了压气机叶片机器人磨抛、增材修复叶片机器人磨抛、大型车身构件机器人磨抛3个案例，将技术落地。本书可供从事机器人加工技术研发与工程应用的科技工作者使用，也可作为高等院校机械、智能制造等专业师生的教学参考书。

无