基于阻抗控制和工艺优化的机器人磨抛技术研究

机器人磨抛加工具有柔性好、效率高等优点，但是其加工表面一致性容易受到末端力控及工艺参数的影响。本文首先通过机器人磨抛的阻抗控制的建模与仿真，对其参数进行整定，提高响应速度，减少力稳定时间；然后利用单因素和正交实验，分析工艺参数对磨抛表面粗糙度的影响规律，建立表面粗糙度的预测模型，求解得到有利于表面质量的工艺参数组合；最后结合阻抗控制和工艺参数优化实现磨抛质量的提升，研究结果表明：基于阻抗控制与工艺参数优化的机器人磨抛加工，可以有效降低工件表面粗糙度、提高表面完整性。

磨抛通常作为制造加工的最后一道工序，是提高零件表面完整性和尺寸精度、保证产品性能的关键技术。但是，机器人本身不具备柔顺性，无法适应复杂多变的外部环境，容易导致对工件的过磨抛和欠磨抛，因此必须对机器人末端与工件之间的磨抛力加以控制。同时，在实际磨抛加工中，不同的磨抛工艺参数也对零件表面质量有很大影响，选择合适的工艺参数组合对于降低工件表面粗糙度、提高磨抛效率至关重要。

针对机器人磨抛力控制，田勇等[1]通过MATLAB 对阻抗控制中性能参数进行了仿真，得到最优参数组合，并利用自行设计的打磨系统进行实验验证，得到了良好的打磨跟随效果。Du 等[2]基于位移控制的原理， 结合自主研发的CAM/CAD 处理器以及自适应抗饱和积分分离模糊PI 控制器， 针对钛合金材质工件进行磨抛仿真模拟和实验，得到了较好的磨抛效果。Fu 等[3]提出了一种非线性PI 位置控制器，有效的解决了积分饱和问题，对阻力产生的影响做出了补偿，进一步增强了磨抛的顺应性。高培阳等[4]在阻抗控制的基础上，结合自抗干扰控制，对力控制跟踪器加以改进，解决了打磨过程中的力冲击问题， 增强了机器人的鲁棒性和适应能力。Pedrocchi 等[5]提出了一种带有模糊调节器的阻抗控制回路，更好地实现了打磨过程的力的稳定性和质量一致性。

为了提高工件磨抛质量和效率，除了要进行力控制外，工艺参数的合适选择也是至关重要。在磨抛工艺参数方面， 淮文博等[6]针对叶片工件， 采用响应面法计算得到了抛光工艺参数优化组合和优化比值， 利用正交试验建立了粗糙度预测模型，并进行了实验验证。Zhao 等[7]在砂带抛光中，利用单因素试验获得了参数的优化范围，采用响应面法分析确定了优化工艺参数组合，从而有效降低了表面粗糙度。何瑛俏等[8]针对发动机叶片，建立了叶片型面的材料去除率模型，针对磨抛工艺进行研究和优化，通过实验证明了优化参数方案的可靠性。陈霖等[9]针对整体叶盘叶片，以材料去除深度为约束建立了磨抛过程材料去除率模型，从而得到最优工艺参数，实现了机器人的自适应磨削。Wang 等[10]基于自主研制的小型抛光机器人系统，利用正交试验和灰色关联度分析方法对工艺参数进行了优化，得到了优化的抛光工艺参数组合，在保证粗糙度的前提下有效提升了磨抛效率在。Lee 等[11]学者针对模具型腔五轴机器人抛光工艺，提出了基于特征提取和系统数据集成理论的表面抛光工艺规划技术，实现了加工工序和工艺步骤的高效化。