基于双混联机器人协同运动控制的薄壁件镜像铣削研究

为提高薄壁件镜像铣削过程中的加工质量,本文提出一种针对双混联机器人镜像铣削的协同运动控制策略。首先,结合机器人运动控制特点,研发出一种双CPU主从控制架构的开放式数控系统,以实现人机交互和运动控制;然后,为实现双机协同运动并提高薄壁件加工质量,在数控系统中集成了4大关键技术,分别是双机器人的镜像路径生成、同步速度规划、协同运动学和运动误差实时补偿;最后,基于自主开发的集成式镜像铣削数控系统,开展了单点和多点支撑、双机协同与非协同加工的平面薄壁件槽铣削试验,多点支撑的平面铣削试验,大曲率路径高速协同运动试验与曲面薄壁件槽铣削加工试验。试验结果表明,提出的协同运动控制策略能够保证双机器人具有较高的同步位置精度。此外,多点支撑方式在保证薄壁件铣削壁厚的同时,还可提高工件铣削的颤振稳定性。

面向任务的机器人动作泛化研究

动作泛化是机器人被期望具备的功能,要求机器人不仅能重复人类示教的灵巧动作,还可以根据任务目标生成新动作,在小批量、多种类的生产要求下具有广阔的应用场景.针对面向任务需求快速学习和灵活泛化的目标,设计开发了机器人动作泛化框架.首先,进行少量示教,使用概率运动基元(probabilistic movement primitives,ProMP)构建动作的轨迹分布,以较少参数概括示教信息.其次,使用期望最大(expected maximum,EM)算法迭代估计模型参数,引入先验信息补充模型以保证稳定性.研究先验信息对泛化效果的影响,确定了合适的先验参数;研究傅里叶基函数对周期轨迹的拟合效果,提出轨迹分割与滤波方法以保证拟合精确平滑.利用模型的概率分布性质,将动作的概率范围收缩到特定位置,并进行整条轨迹的时间尺度缩放与空间位置变换,生成符合泛化要求的轨迹.最后,搭建了一个六自由度机器人喷涂场景进行动作泛化实验.结果表明:该框架能够快速生成多种泛化轨迹.单自由度轨迹学习平均消耗1.924 s,轨迹生成平均需0.004 s;六自由度轨迹学习平均消耗35.608 s,轨迹生成平均需0.011s.

双机镜像搅拌摩擦焊顶锻力变化规律与影响因素研究

随着搅拌摩擦焊板厚增大,设备承载能力无法满足单侧搅拌摩擦焊的高顶锻力要求,因而难以形成质量良好的焊缝。为了降低设备所受顶锻力,本文提出了一种双机镜像搅拌摩擦焊工艺方法,研究了工艺过程中顶锻力的变化规律和影响因素,并验证了该工艺的可行性和优越性。首先,建立热力耦合的有限元仿真模型,得到顶锻力随板厚的变化规律,同时得到了双机镜像搅拌摩擦焊工艺能够减小顶锻力的结论;之后,建立顶锻力估计模型,并基于数据驱动对模型进行试验修正和验证,实现无传感器的顶锻力监测;最后,在搭建好的试验平台样机上开展了镜像焊接试验、3组工艺参数的多因素试验及单侧搅拌摩擦焊对比试验,得到顶锻力随时间的变化规律和工艺参数的影响,验证了双机镜像搅拌摩擦焊工艺可以减小搅拌头所受顶锻力、降低设备承载能力需求的作用。

一种基于广义最大相关熵准则的运动平均方法

本文提出一种基于广义最大相关熵准则的运动平均方法,有效提高了多视角点云配准的效率和精度.首先,借助李代数优化框架,导出了残差与待求变量二者之间的线性显式关系,将该残差与广义最大相关熵准则结合,提出了考虑所有相对运动的变量解算模型;其次,借助半二次优化技术和交替方向乘子法,给出了模型的一种数值解算方法;最后,提出了一种具有自适应性的核宽选取方法,以使算法在相对运动集包含较多外点的情况下仍能获得较为准确的配准结果.以真实模型和环境数据集为对象开展了对比实验,基于双视角点云配准算法分别获得了5个测试点集在30%、20%点云面积重叠率阈值下的双视角配准结果,共形成10组相对运动集.其中,相对运动集误差随重叠率阈值的下降逐渐增加.所提方法在10组运动集上均获得了较佳的配准结果,实验结果表明本文所提方法有效提高了运动平均方法的计算精度与效率.此外,当运动集包含大量外点时,采用本文所提方法仍能获得较为准确的配准结果,表明本文所提方法具有较强的鲁棒性.

基于刚度最优区间的机器人搅拌摩擦焊工件位置优化方法

航空航天领域存在许多曲面工件需进行搅拌摩擦焊,工业机器人为三维空间曲线的搅拌摩擦焊接提供了一种相当有吸引力的选择,但是搅拌摩擦焊接过程中巨大的轴向力对工业机器人的搅拌头轴向刚度提出极高的要求。为了提高机器人在搅拌摩擦焊接过程中搅拌头轴向刚度,提出一种基于刚度最优区间的工件位置优化方法。首先,构建混联机器人的并联/串联机构刚度数据库,以减少刚度计算时间;其次,基于机器人搅拌头轴向刚度提出刚度最优区间的概念,作为优化指标;然后,在考虑无奇异、关节限位、关节连续性和工作空间约束的情况下,进行基于刚度最优区间的工件位置优化算法研究;最后,仿真和试验验证表明,该方法能够通过优化工件位置使机器人始终保持在搅拌头轴向刚度较优的位姿下进行焊接,显著提升了机器人在焊接过程中的焊接刚度。

柔性关节的复合动态面控制仿真研究

针对柔性关节机械臂轨迹跟踪控制中存在参数不确定性、建模误差和未知扰动等问题,为了保证柔性关节系统的控制精度,在建立其等效动力学模型的基础上,提出了一种新的复合动态面控制策略.该策略包含动态面控制技术、参数自适应算法、神经网络逼近器、鲁棒补偿器以及约束处理方案.首先,利用动态面控制技术进行控制器的设计,消除了反步法的“复杂性爆炸”问题.其次,采用参数自适应算法处理柔性关节系统动力学模型中的参数不确定性,神经网络逼近器用于在线逼近和补偿模型中的不连续摩擦、建模误差和未知扰动,鲁棒补偿器负责前两部分的残余误差,同时设计约束处理方案满足误差规定性能约束和提高控制器对神经网络近似误差和未知扰动的鲁棒性.再次,构建具有预测误差的复合学习自适应律,提高控制器对模型不确定项的补偿精度.李雅普诺夫稳定性分析表明,所提出的策略保证了闭环系统中的所有信号都是半全局一致最终有界的,跟踪误差最终以规定性能收敛到零附近的一个小邻域.最后,在Simulink环境中,基于单连杆柔性关节系统对该控制策略进行对比仿真验证,结果表明:该复合动态面控制策略能够显著提高柔性关节系统的跟踪性能并降低其超调量和稳定时间,验证了该复合动态面控制策略的有效性和优越性.

基于加权运动平均的多视角点云鲁棒配准方法

本文提出一种基于加权运动平均的多视角点云配准方法,有效提高了多视角点云配准的效率和精度.首先,通过双视角点云配准算法得到点集的相对运动集;提出一种分层渐进式点云配准初值确定方法,该方法计算运动关系图中三视匹配元一致性度量,逐步挑选最为可靠的匹配元进行顶点初值化与顶点扩展,有效避免了因所选初值与真值偏差较大导致加权运动平均效果不佳的问题;依据上述方法确定配准初值,并根据该初值判断双视角匹配结果的可靠性,以剔除相对运动集内包含的外点,最后将剔除外点后的原始相对运动集的内点子集作为加权运动平均算法输入的相对运动集.以斯坦福公开数据集为对象开展了对比实验,基于双视角配准算法分别获得了4个测试点集在30%、25%和20%双视角点云重叠率阈值下的双视角配准结果,共形成12组相对运动集.其中,相对运动集误差随重叠率阈值的下降逐渐增加.所提方法在12组运动集上均获得了最佳的配准结果,证明了本文所提出方法在提高加权运动平均方法计算精度与效率方面的有效性.此外,当运动集包含大量外点时,采用本文所提方法仍能获得较为准确的配准结果,证明了本文所提方法的强鲁棒性.

一种基于光栅传感器反馈的混联机器人动态精度控制策略

为了有效抑制因减速器和丝杠–螺母副等传动误差及弹性变形等因素引起的跟随误差,提高混联机器人的末端动态精度,利用安装在摆角头减速器输出侧和并联机构从动关节上的高精度光栅传感器,研究混联机器人的动态精度控制策略。在PID+前馈体系架构下,采用Lyapunov稳定性理论,设计出基于光栅传感器和伺服电机编码器位置反馈的控制律,据此构建出混联机器人的动态精度补偿器。以天津大学自主研发的TriMule-200混联机器人为研究对象,开展了试验验证。结果表明,相比于半闭环位置控制,所设计的动态精度补偿器能够大幅提高混联机器人的末端动态精度,动态误差的最大降幅达到82.88%,由此验证了所提出基于光栅传感器反馈的动态精度控制策略的有效性。

考虑时变磨损的机器人磨抛参数优化研究

针对自动化磨抛过程中存在的磨抛工具磨损现象,使得难以建立精准的磨抛去除模型进而达到稳定一致的磨抛效果这一问题,提出了一种考虑时变磨损的机器人磨抛参数优化方法.首先,将物理建模方法中的丰富信息和回归建模方法的跟踪学习特性相结合,提出了一种融合先验知识的磨抛材料去除回归模型,极大地减少了原本回归模型所需的大量实验数据,使得提出的模型能够跟踪砂纸的磨损变化;其次,将所使用模型的预测结果与其他文献所提出的理论模型以及基于支持向量回归的预测模型进行了对比分析;最后,使用所得的预测模型对机器人磨抛参数进行优化,在混联机器人抛光实验台上进行实验验证,结果表明,所提出的融合先验知识的磨抛材料去除模型相比于常用模型具有更高的预测精度和更少的实验数据,所提出的机器人磨抛参数优化方法能够有效地补偿磨抛工具的磨损,保证磨抛过程中材料去除的一致性,同时提高了磨抛加工效率.

面向连杆模具的混联机器人柔性抛光系统开发

为了解决连杆模具抛光过程中人工抛光时间长、劳动强度大等问题,建立了一套混联机器人柔性抛光系统。在该系统上对材料去除模型进行了研究,建立了考虑抛光工具磨损的材料去除模型,能够良好预测一定抛光参数下的材料去除量;在此基础上,对模具型腔表面自动分片,并使用UG和示教相结合的方法生成加工轨迹;根据模具抛光力的控制需要,建立了一套气动控制系统,使用自主设计的浮动恒力抛光主轴结合PID控制算法实现了恒力抛光。最后在该柔性抛光系统上进行了汽车连杆模具抛光实验,实验结果表明了该柔性抛光系统能够较好地完成连杆模具抛光任务,得到较好的抛光效果。

火焰数控切管机割炬轨迹研究及仿真

在火焰数控切管机割炬运动分析的基础上,定义了表达割炬轨迹所需的参考面和相关参数,建立了带坡口角的管-管相贯、管-板相贯相贯线数学模型,提出了最大z坐标原则求K形接头相贯线的方法。对管-管相贯、K形接头相贯的切割实例进行了仿真分析,研究了割炬轨迹和相关参数的关系。

管锥相贯焊接坡口数控切割

利用空间解析几何的原理建立了管锥相贯数学模型,用参量方程描述了管端相贯线焊接坡口的几何形状,该数学模型可应用于三轴联动火焰数控切管机。针对三轴联动火焰数控切管机,分析了管锥相贯焊接坡口数控切割运动,将切割运动分解为割炬绕被切管的回转、沿管轴线的平移及在轴剖面内的倾斜三轴联动,给出了数控切割所需相贯线、两面角、实际切割角等参数的参量表达式。并研究了应用过渡切割方法解决小角度存在的问题,给出了过渡切割时各参数的数学表达式。切割试验结果表明,所切焊接坡口完全符合美国石油协会标准(API)规范。

变步长灰色预测模糊控制研究与应用

提出了一种变步长灰色预测模糊控制算法,该算法根据新陈代谢原理,建立等维新息预测模型,将预测概念扩展为前向和后向预测,并与模糊控制相结合,对电液比例压力控制系统的顶推压力进行控制.该算法不需要被控对象模型结构的先验信息,基于少数据、贫信息,具有在线自适应以及计算量小的特点,满足实时控制的要求.通过对变步长灰色预测模糊控制与PID控制和纯模糊控制进行仿真和试验比较表明,变步长灰色预测模糊控制在不增加超调的情况下减小了响应时间,改善了控制效果.

一种轻型模块化协作机器人碰撞检测算法

为了实现人与协作机器人的安全协作,提出了一种不增加额外传感器和改变控制系统复杂性的碰撞检测算法.基于动力学模型和动量偏差构造了一个2阶外力矩观测器以实现对关节外力矩实际值的观测,并对观测值进行滤波处理,减小系统采样噪声对观测值的影响.考虑到关节外力矩包含外部碰撞力等效作用在关节上的力矩和谐波减速器产生的关节摩擦力矩,采用Stribeck摩擦模型对观测值中的关节摩擦力矩部分进行辨识,使观测值只受外部碰撞力影响.最后,基于一类轻型模块化协作机器人对该算法进行了仿真与实验,结果表明:观测值能够实时跟随外力矩变化,机器人正常运行时其保持在预设的阈值范围内,发生碰撞时发生突变超出阈值,从而验证了该算法的正确性.

筒阀两种动水关闭方式下水力特性分析

为了更加全面分析混流式水轮机飞逸退出过程的水力特性,以水轮机的全流道为计算控制域,运用RNG k-湍流模型、动网格和滑移网格技术,对筒阀60和26 s两种动水关闭方式进行了三维非定常流动数值模拟,对比分析了两种动水关闭方式下阀体周边的压力、速度等流场的流态分布状况,以及筒阀附近包括蜗壳、导叶、转轮等在内的过流部件的流场特征。计算结果表明,与60 s动水关闭方式相比26s动水关闭方式明显缩短了飞逸时间,有利于操作的稳定性,可以更好地降低飞逸现象对水轮机组造成的破坏。同时,对于研究更为合理的筒阀运动方式、水轮机的水力设计与优化都具有一定的参考价值。

水轮机筒阀电液同步控制系统数学建模与仿真

为了满足水轮机筒阀在启闭过程中的多缸同步和速度控制的要求,对筒阀电液同步控制系统中的主要液压部件,如电液比例方向阀、同步液压马达、比例节流阀和非对称液压缸进行动态数学建模分析,给出了水轮机筒阀电液同步控制系统非线性数学模型.针对筒阀在启闭过程中对同步性能和速度控制要求高的特点,提出一种双闭环(同步闭环和速度闭环)综合控制方式,该控制方式内环负反馈用于多缸同步控制,外环负反馈用于多缸速度控制.利用Simulink对系统进行仿真研究,并和试验结果进行了对比.结果表明,该系统和控制方式能满足水轮机筒阀在启闭过程中对速度和同步性能的要求.

大型结构物迁移工程装备控制技术

针对城市改造过程中存在结构物迁移的问题,提出了研究智能化、自动化大型结构物迁移工程装备控制技术.在研究迁移工程特点的基础上,即分散布置,集中操作,同步升降、平移,实时监控和智能化管理,从液压系统、电控系统和监控软件三方面详细论述了该装备控制技术.提出了一种以"IPC+PLC"为硬件控制平台,力、位混合控制的分布式控制系统(DCS),其和液压系统的有机结合使该研究成为可能.该迁移控制技术得到了工程实践检验.

灰色预测在FAST液压促动器中的应用

为了满足500,m口径球面射电望远镜(FAST)工程主动反射面索网节点位置和速度控制的要求,对FAST用液压促动器进行了研究,将灰色预测模型应用到传统PID控制中,提出一种新型的步长调整机制,在简化了以往调整机制复杂性、不确定性和耗时性的同时,很好地解决了传统PID控制策略下难以获得理想跟踪精度的问题.通过与传统PID控制策略进行仿真和实验对比,结果表明,变步长灰色预测PID控制策略提高了促动器的速度跟踪精度和位置跟踪精度,速度跟踪误差由0.100,mm/s减小到0.048,mm/s,位置跟踪误差由1.5,mm减小到0.2,mm,可满足FAST工程主动反射面索网节点位置控制精度和响应速度的要求.

基于PMAC的卷板机数控系统的研究与开发

结合 170 0 0kN× 3 0 0 0mm上辊万能式卷板机数控系统的研制与开发 。

管端相贯线坡口切割割炬位姿控制

针对管端相贯线坡口切割过程中存在三维空间曲面加工问题,研究割炬轨迹的保证和姿态的选择是获得良好加工质量的关键.利用空间解析几何原理,建立了管-管,管-板及管-管、板相贯带坡口切割时割炬位姿控制数学模型.提出了最大Z坐标原则求管-管、板相贯线坡口切割割炬轨迹的方法.对管-管、板相贯线坡口切割实例进行了割炬位姿控制仿真分析,研究了在不同相贯段时割炬位姿和两面角、坡口角以及割炬姿态角等相关参数的数学表达式,理论研究表明在拐点处割炬姿态的转变应分多步进行,从而保证拐点处的切割质量.为管端相贯线坡口精确数控切割提供了理论基础.