拋光是零件加工的最后一個環(huán)節(jié)，材料去除量很少，拋光有電化學拋光、磁流變拋光、等離子拋光、超聲波研磨拋光和機械拋光等，而機械拋光的效率最高且可控性好，本文提出基于并聯(lián)機器人技術的自動拋光機床系統(tǒng)設計方案并研制樣機，進行了拋光實驗。

    本文提出基于并聯(lián)機器人技術的自動拋光機床系統(tǒng)設計方案，系統(tǒng)地研究新型自由曲面拋光機床的機構綜合、工作空間分析、運動學動力學性能計算和分析等工作，設計和研制基于并聯(lián)機器人的自動拋光機床，并對并聯(lián)拋光機床進行拋光實驗和性能評定。研究內容主要包括以下幾個方面：從復雜自由曲面拋光任務要求出發(fā)，提出能夠實現(xiàn)自由曲面恒力拋光的自動拋光機床系統(tǒng)方案；合理的運動支鏈布局方式避免了單運動支鏈的集中受力問題；在運動學分析的基礎上，結合凱恩方程和矢量方法建立并聯(lián)機構逆動力學模型；最后，研制并聯(lián)自動拋光機床樣機，對自由曲面零件進行恒力拋光實驗，拋光精度能達到11級拋光粗糙度。

并聯(lián)拋光機床系統(tǒng)方案設計

    自由曲面零件她光任務要求執(zhí)行機構至少具備3個移動和2個轉動的運動自由度。目前絕大部分的自動拋光設備都是基于串聯(lián)機構設計的，雖然串聯(lián)機構的靈活工作空間大，但由于串聯(lián)機構開環(huán)特性產(chǎn)生的載荷和誤差累加性，導致自由度越多其末端平臺的誤差累積性越嚴重，其需要增加串聯(lián)機構體積和質量，以足夠好的剛度來保證末端執(zhí)行平臺的精度。開環(huán)串聯(lián)機構的大慣量和弱剛度，使得基于串聯(lián)機構的自由曲面拋光動態(tài)特性較差。

    為了克服基于傳統(tǒng)串聯(lián)機構的自由曲面拋光系統(tǒng)的載荷和誤差累加特性，提出基于并聯(lián)機構的自動拋光系統(tǒng)整體方案，并聯(lián)拋光機床包括丁3R2運動類型的大轉角空間新型并聯(lián)機構、數(shù)控轉臺和安裝在動平臺上的具有力反饋的直線拋光移動平臺，實現(xiàn)大零件自由曲面解耦拋光任務。

    并聯(lián)拋光機床的機械本體部分主要由五自由度并聯(lián)機構、旋轉數(shù)控工作臺和具有力反饋的直線運動平臺組成。圖1是并聯(lián)拋光機床的內部結構圖。圖2是動平臺的結構圖，其中在并聯(lián)移動平臺和拋光主軸中間安裝了一個力傳感器和直線電機，力傳感器和直線電機是用于在拋光過程中實現(xiàn)拋光力控制，以保證自由曲面的拋光精度。

    (1)五自由度并聯(lián)機構五自由度并聯(lián)機構是具有3個移動和2個轉動運動自由度的純并聯(lián)機構，并聯(lián)機構五個支鏈的驅動方式均采用中空電機驅動絲桿的方式，這種先進的驅動方式可以大大地提高支鏈的驅動長度，從而增大并聯(lián)機器人的運動空間。支鏈與運動平臺相連接的萬向節(jié)運動副采用的是羊角形式的運動副類型，羊角形式的萬向節(jié)能夠進行大范圍的轉動，特殊關節(jié)設計大大提高了并聯(lián)機構運動平臺轉動自由度的運動范圍。

    (2)旋轉數(shù)控工作臺新型的并聯(lián)機構的三個空間移動自由度和一個俯仰旋轉自由度的運動范圍都很大，而另一個左右擺角自由度的運動范圍較小，為了擴大該并聯(lián)機構的加工范圍，在靜平臺上冗余了一個用于卡緊零件的數(shù)控轉臺。新型并聯(lián)機器人配合數(shù)控轉臺，可實現(xiàn)工件的五面加工，數(shù)控轉臺不僅能夠擴大零件加工空間的能力，同時還能實現(xiàn)并聯(lián)機器人避奇異的軌跡規(guī)劃。

    (3)力反饋直線運動平臺并聯(lián)機構動平臺上的直線運動平臺由直線驅動電機、拋光主軸及連接直線電機動子和拋光主軸之間的力傳感器組成。對于拋光任務，拋光力的控制在整個拋光過程中是至關重要的，此方案的直線運動平臺，利用力傳感器向控制系統(tǒng)反饋拋光過程中拋光力信息，結合高分辨率和高動態(tài)特性的直線電機，根據(jù)實時的力反饋信息調整拋光主軸的位置，實現(xiàn)對拋光過程中的恒拋光力控制。

    (4)系統(tǒng)控制部分并聯(lián)拋光機床控制系統(tǒng)由控制7個伺服驅動電機的德國PowerAutomation實時CNC控制系統(tǒng)、基于FPGA的絕對值關節(jié)測量系統(tǒng)和力傳感器采集系統(tǒng)組成，其中CNC系統(tǒng)開放了軟PLC功能，讓用戶實現(xiàn)數(shù)控系統(tǒng)的10邏輯編程，同時開放了CompileCycle接口，可以讓用戶用C/C++進行運動軌跡控制等算法的編寫。關節(jié)角度測量系統(tǒng)為系統(tǒng)控制提供冗余的反饋信息，而力傳感器采集系統(tǒng)為拋光力控制提供反饋數(shù)據(jù)。

自由曲面拋光并聯(lián)機構

    并聯(lián)拋光機構是由一個4URHU-1URHR運動支鏈組成的純并聯(lián)機構和一個冗余直線運動平臺組成的。圖3是新型并聯(lián)拋光機床的方案圖，并聯(lián)拋光機床的純并聯(lián)部分是由動平臺，機床床身和五個運動支鏈組成。為了實現(xiàn)拋光過程中拋光力的控制，并聯(lián)拋光機床中引入了直線伺服電機，直線伺服電機帶動安裝有拋光工具的電主軸來進行拋光力調節(jié)。另外，在機床床身上安裝了數(shù)控轉臺。

    圖4是并聯(lián)拋光機床結構示意圖，并聯(lián)機床由五個運動支鏈組成，其中中央運動支鏈L1的運動副分布為URHR，即由一個萬向節(jié)副U，電機動子旋轉副R，螺旋副H和一個連接動平臺的轉動副R組成的，它是一個五自由度的運動支鏈，三個移動和兩個轉動自由度;其他四個相同的運動支鏈Li(i=2,3,4,5)的運動副分布為URHU，它們和中央支鏈L1不同在于，它們是通過萬向節(jié)副U與動平臺相連接的，它們是六自由度的運動支鏈。根據(jù)螺旋理論的自由度線性相關理論，并聯(lián)機床動平臺的自由度和中央支鏈的運動自由度一致，即并聯(lián)機構的運動自由度是T3R2三移動兩轉動無在并聯(lián)拋光機構的末端安裝了具有力反饋的直線移動平臺，實現(xiàn)拋光力的解耦控制。

五自由度并聯(lián)機構的運動模型

    如圖5所示，P表示中央支鏈L。在動平臺上旋轉副R的中心點，設其在全局坐標系下的坐標為xp,yp,zp；θ表示中央支鏈L1絲杠繞e14方向的軸旋轉角；φ表示動平臺繞e15方向的旋轉角度。拋光系統(tǒng)純并聯(lián)部分的中央支鏈比其他四個支鏈少了一個旋轉自由度，為了統(tǒng)一中央支鏈和其他四個支鏈的運動學和動力學公式推導，對中央支鏈增加一個虛擬的轉動副R，并令θ16=0。對于任務空間，選擇xxp,yp,zp，θ和φ為并聯(lián)機構的廣義變量。

    用Bij表示第i個支鏈中第j個剛體，其中Bi1代表萬向節(jié)的第一個旋轉剛體；Bi2表示中空電機定子；Bi3表示中空電機的轉子；Bi4代表滾珠絲杠；而Bi5表示羊角萬向節(jié)部件，當i=1時，即B15代表動平臺。用廣義坐標描述全局坐標下動平臺速度和加速度過程中，中央支鏈的各關節(jié)轉角變量θ11θ12θ13θ14θ15被當作中間變量，用于簡化動平臺速度和加速度與廣義變量之間的關系?？梢缘玫饺缦路匠蹋?）：

    根據(jù)以上幾何關系進行計算，建立了并聯(lián)機構的逆解運動學模型，進行機構各剛體構件的速度和加速度分析，在運動學分析的基礎上，應用高效的凱恩方程建立并聯(lián)拋光機構剛體逆動力學模型，將動力學方程轉化為控制狀態(tài)方程，并將控制狀態(tài)方程運用于并聯(lián)機構運動軌跡跟蹤控制，綜合高效的計算力矩法、最優(yōu)控制和魯棒控制的各自優(yōu)點，將建立的基于計算力矩法的混合方法應用于并聯(lián)機構的逆解動力學運動軌跡跟蹤控制，以實現(xiàn)高速高精度的并聯(lián)機構軌跡控制算法。

恒力拋光的力反饋控制方案

    為了實現(xiàn)恒拋光力控制，在并聯(lián)機床動平臺上安裝了配有高分辨率光柵的伺服直線電機，同時在拋光工具和直線電機動子之間安裝了三維力傳感器，如圖6所示。通過三維力傳感器的力反饋利用直線電機調整拋光工具的位置，從而實現(xiàn)拋光工具的恒力拋光控制。由于動子和拋光工具固連平臺的總體質量比較大，因此在動子和運動平臺之間添加了一個彈簧，以平衡動子及其固連平臺的重力，減小直線電機的靜態(tài)驅動電流。

    圖7是并聯(lián)拋光機床移動平臺的模型簡圖，其中動子平臺由彈簧連接到并聯(lián)移動平臺上。并聯(lián)移動平臺和重力方向的夾角為a，設動子和動力平臺的質量為m。，拋光工具及保持架的總質量為m，彈簧的剛度為k，阻尼為c。動子平臺受到彈簧力和阻尼力分別為fk和fc，拋光過程中拋光工具受到的拋光壓力和拋光力矩分別為ft和mt，傳感器受到的內力為Fs，其可以通過力傳感器本身測量得到的。

并聯(lián)拋光機床拋光實驗

    應用并聯(lián)拋光機床對自由曲面零件進行拋光實驗，將零件自由曲面的離散點和離散點法向矢量數(shù)據(jù)保存為文件，導入到用Matlab開發(fā)的分形路徑生成模塊中，生成Hilbert分形軌跡曲線，再將由Matlab產(chǎn)生的分形軌跡曲線文件導入到并聯(lián)拋光機床仿真軟件中，得到自由曲面上的Hilbert分形軌跡。并聯(lián)拋光機床仿真軟件將自動根據(jù)輸入的數(shù)據(jù)計算最優(yōu)任務靈活度的自由曲面拋光軌跡，并自動生成如下的G代碼數(shù)據(jù)文件。

    圖8-a是只經(jīng)過拋光布進行雜質處理，但沒有經(jīng)過并聯(lián)拋光機床拋光的零件表面部分的粗糙度檢測結果，其粗糙度Ra=0.1735μm，輪廓最大高度Rz=0.3839μm，該精度為粗糙度9級精度。圖8-b是經(jīng)過并聯(lián)拋光機床拋光的零件表面部分的粗糙度檢測結果，其粗糙度R}=0.0431}m，輪廓最大高度Rz=0.1194}m，該精度為粗糙度11級精度。由此可以看見，經(jīng)過并聯(lián)拋光機床的分形軌跡拋光工藝和恒力拋光加工后，能將經(jīng)過拋光布拋拋光后零件表面粗糙度從9級提高到11級精度。

    從拋光實驗的效果可以說明，本文提出自動拋光系統(tǒng)應用新型并聯(lián)拋光機構實現(xiàn)拋光移動平臺的位置執(zhí)行裝置，使用具有拋光力反饋的恒力拋光平臺對自由曲面零件進行拋光，高剛度的并聯(lián)機構和解耦的恒力拋光平臺能夠實現(xiàn)自由曲面的高精度拋光加工。