陳首彥 張鐵

(華南理工大學(xué) 機(jī)械與汽車工程學(xué)院， 廣東 廣州510640)

一種自適應(yīng)的機(jī)器人曲面切削力控制算法*

陳首彥 張鐵?

(華南理工大學(xué) 機(jī)械與汽車工程學(xué)院， 廣東 廣州510640)

為提高機(jī)器人復(fù)雜曲面的切削加工質(zhì)量，對(duì)機(jī)器人切削狀態(tài)進(jìn)行分析，提出了一種自適應(yīng)的曲面切削力控制方法.首先探討了機(jī)器人剛度和進(jìn)給速度對(duì)切削質(zhì)量的影響，建立了沖擊和穩(wěn)態(tài)切削狀態(tài)的動(dòng)力學(xué)模型；然后根據(jù)切削形變與進(jìn)給速度的關(guān)系，建立了基于模糊PID的力控制模型；最后通過(guò)傳感器的力反饋計(jì)算出切削形變，實(shí)時(shí)調(diào)整進(jìn)給速度實(shí)現(xiàn)切削質(zhì)量控制.將文中方法與曲面切削開(kāi)環(huán)控制和PID控制方法進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果顯示，與開(kāi)環(huán)控制和PID控制對(duì)比，基于模糊PID的曲面切削力控制方法能有效減小切削過(guò)程中剛沖擊力幅度和穩(wěn)定切削的力波動(dòng)，實(shí)現(xiàn)有效的曲面切削力控制.

曲面切削；切削質(zhì)量；進(jìn)給速度；機(jī)器人形變；模糊PID力控制模型

工業(yè)機(jī)器人在打磨、拋光、搬運(yùn)等接觸性加工場(chǎng)合得到了廣泛的應(yīng)用，如何在機(jī)器人末端與環(huán)境保持接觸的前提下，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人末端位置和接觸力的控制，使機(jī)器人具有柔順控制能力，成了機(jī)器人切削應(yīng)用的關(guān)鍵[1].國(guó)內(nèi)外許多學(xué)者已對(duì)機(jī)器人末端接觸力的控制問(wèn)題進(jìn)行了相關(guān)研究，Domroes等[2]分析了機(jī)器人切削位置控制和力控制的區(qū)別，探討了切削力與材料去除速率的關(guān)系；Jung[3]提出了一種基于位置反饋的內(nèi)外環(huán)阻抗控制模型，提高了機(jī)器人系統(tǒng)的魯棒性.然而工件形狀的多變?nèi)菀滓鹎邢餍巫兗罢駝?dòng)，傳統(tǒng)力控制策略無(wú)法驅(qū)使機(jī)器人快速進(jìn)入穩(wěn)定切削狀態(tài)；針對(duì)此問(wèn)題，Karayiannidis等[4]提出一種自適應(yīng)力控制策略，通過(guò)力反饋、位置速度信息對(duì)工件表面參數(shù)進(jìn)行學(xué)習(xí)，從而減少振動(dòng)周期實(shí)現(xiàn)切削力的快速收斂；Kiguchi等[5]則在模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)智能算法的基礎(chǔ)上提出了一種力位混合控制策略，利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和模糊規(guī)則對(duì)加工環(huán)境進(jìn)行學(xué)習(xí)，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人未知環(huán)境的拋光加工應(yīng)用；李二超等[6]則提出了一種力/位混合控制策略，通過(guò)力反饋信息判斷機(jī)器人末端位置，并通過(guò)模糊推理確認(rèn)控制因子以實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的柔順控制.

然而，上述相關(guān)研究并未提到機(jī)器人弱剛性對(duì)切削精度的影響.實(shí)際上，Liu等[7]在早期的研究中就指出，機(jī)器人弱剛性容易在接觸性加工過(guò)程中引起形變波動(dòng)，導(dǎo)致其無(wú)法按照規(guī)劃軌跡進(jìn)行高精度的切削加工，特別是工件形狀不確定或刀具不平整的情況；為此，Rafieian等[8]研究了剛性平面切削過(guò)程中，切削力的波動(dòng)情況，通過(guò)分析砂輪轉(zhuǎn)速、砂輪平整度和振動(dòng)力波動(dòng)頻率關(guān)系，建立了機(jī)器人磨削系統(tǒng)非線性剛度模型，并探討了機(jī)器人磨削振動(dòng)對(duì)加工精度的影響；Bigras等[9]對(duì)機(jī)器人作業(yè)環(huán)境進(jìn)行辨識(shí)，推導(dǎo)出機(jī)器人剛度模型，并利用雙重迭代矩陣對(duì)力控制進(jìn)行了優(yōu)化；Pliego等[10]分析了力位控制策略在未知環(huán)境中的位置和力偏差情況，提出了機(jī)器人與剛性表面接觸時(shí)的自適應(yīng)方法，該方法通過(guò)力實(shí)時(shí)信息判斷機(jī)器人和約束表面的位置關(guān)系；李正義等[11]則針對(duì)環(huán)境阻尼和剛度變化問(wèn)題，提出了一種基于遞歸最小二乘法的自適應(yīng)阻抗控制方法，實(shí)現(xiàn)對(duì)環(huán)境變化的自適應(yīng).

機(jī)器人弱剛度對(duì)切削精度的影響較大，而關(guān)于此方面的力控制方法研究仍然較少.因此本研究將首先對(duì)機(jī)器人切削動(dòng)態(tài)進(jìn)行分析，探討機(jī)器人進(jìn)給速度和剛度對(duì)切削形變的影響.文中將機(jī)器人切削分為剛性碰撞狀態(tài)和穩(wěn)定切削狀態(tài)，在整個(gè)切削過(guò)程中存在切削形變的形成和釋放，而進(jìn)給速度的變化將改變形變釋放的程度并最終影響加工質(zhì)量；基于此結(jié)論對(duì)切削狀態(tài)進(jìn)行了分類和模糊化，建立了模糊PID(Proportion-Integral-Derivative)力控制模型，將切削力作為控制輸入，根據(jù)機(jī)器人剛度矩陣計(jì)算切削形變引起的加工誤差，實(shí)時(shí)調(diào)整進(jìn)給速度，從而實(shí)現(xiàn)切削質(zhì)量控制；為了確認(rèn)模糊PID力控制的有效性，進(jìn)行了開(kāi)環(huán)控制的曲面切削實(shí)驗(yàn)以及基于PID控制的切削實(shí)驗(yàn)，并將其實(shí)驗(yàn)結(jié)果與模糊PID力控制效果進(jìn)行對(duì)比.

1 切削狀態(tài)分析

1.1 機(jī)器人切削形變

如圖1所示，機(jī)器人以進(jìn)給速度Vw切入工件，刀具擠壓工件并進(jìn)行切削加工，此時(shí)，由于剛性較差，機(jī)器人受到工件的反作用力.產(chǎn)生撓度β(mm).未能到達(dá)規(guī)劃深度ap(mm)；該過(guò)程的切削力波動(dòng)情況如圖2所示.其中F為切削力，t為時(shí)間.

由圖2可見(jiàn)，切削力首先迅速提升，在編碼器讀數(shù)顯示機(jī)器人到達(dá)規(guī)劃深度ap時(shí)，切削力達(dá)到最大值10 N；隨后切削力回落進(jìn)入階段1的振動(dòng)狀態(tài)，經(jīng)過(guò)一定時(shí)間后，開(kāi)始穩(wěn)定切削(階段2).根據(jù)切削力變化情況可推測(cè)出，雖然編碼器顯示機(jī)器人已到達(dá)目標(biāo)規(guī)劃位置，但切削加工仍在進(jìn)行，且持續(xù)了一段較長(zhǎng)的時(shí)間.這是由于切削力引起的機(jī)器人形變存在釋放的過(guò)程，該形變的釋放速度與材料去除速度有關(guān).

圖1 切削形變示意圖

圖2 機(jī)器人切削規(guī)劃深度及受力圖

設(shè)工件對(duì)機(jī)器人產(chǎn)生反作用力Fp(N)，機(jī)器人切削系統(tǒng)受力產(chǎn)生撓度β(mm)，并導(dǎo)致工件部分區(qū)域σt(mm)未能完成切削加工，材料去除速度Ve(mm/s)，則t時(shí)刻由于機(jī)器人形變引起的σt可表達(dá)為

Fp=Kσt=K∫(Vw(t)-Ve(t))dt

(1)

式中,K為機(jī)器人剛度(N/mm).假設(shè)進(jìn)給速度Vw，則可推導(dǎo)出t時(shí)刻的切削力Fp(t)、機(jī)器人剛度K、材料去除速度Ve(t)以及形變?chǔ)襱(t)之間的關(guān)系為

(2)

在曲面切削過(guò)程中，彈性形變將導(dǎo)致實(shí)際軌跡與規(guī)劃軌跡存在偏移，在曲線軌跡插補(bǔ)過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生如圖3所示的情況.通過(guò)上文分析可知，機(jī)器人切削包括穩(wěn)定切削狀態(tài)以及沖擊振動(dòng)狀態(tài)，且由式(1)、(2)可知切削力大小、形變幅度與機(jī)器人剛度有關(guān)，因此需要對(duì)兩種狀態(tài)進(jìn)行分析，并建立機(jī)器人剛度矩陣.

1.2 穩(wěn)定切削狀態(tài)

圖3 機(jī)器人形變對(duì)加工軌跡的影響

切削力主要受切削深度ap、進(jìn)給速度Vw、刀具旋轉(zhuǎn)速度Vs的影響，目前較為廣泛的切削力公式為[12]

(3)

其中：μ為材料切削系數(shù)；α、φ、γ為經(jīng)驗(yàn)參數(shù).

然而，由于機(jī)器人系統(tǒng)剛度較差，在切削過(guò)程中存在彈性形變釋放過(guò)程，實(shí)際切削深度asp可表示為

asp=ap-∫(Vw(t)-Ve(t))dt

(4)

因此式(3)可表示為

(5)

切削過(guò)程的動(dòng)力學(xué)模型可表示為

(6)

其中,m為系統(tǒng)質(zhì)量，C為阻尼系數(shù)，Kc為切削系統(tǒng)等效剛度.由式(4)、(5)，當(dāng)切削深度ap、刀具轉(zhuǎn)速Vs恒定時(shí)，切削形變產(chǎn)生的加工誤差e=σt(t)受到進(jìn)給速度Vw的影響.因此可以根據(jù)機(jī)器人末端刀具受力實(shí)時(shí)計(jì)算出形變狀態(tài)，通過(guò)調(diào)整Vw實(shí)現(xiàn)加工形變誤差控制.基于上述結(jié)論，實(shí)驗(yàn)采取的切削加工方式如圖4所示，刀具最大線速度方向與工件表面切向角度不變，以Vw、Vs、ap對(duì)工件進(jìn)行切削加工，其中Vs、ap為常量.

1.3 剛性碰撞狀態(tài)

由于機(jī)器人系統(tǒng)為開(kāi)環(huán)結(jié)構(gòu)，剛度較差，在刀具與工件接觸擠壓的過(guò)程中，旋轉(zhuǎn)中的刀具對(duì)其造成沖擊，此時(shí)，機(jī)器人受到工件的反作用力后容易產(chǎn)生瞬時(shí)形變，其振幅可以表達(dá)為

A=Ac+Az

(7)

其中：Ac為進(jìn)給速度引起的沖擊振幅；Az為離心力引起的振幅.由于Vs恒定，Az可看作是常量.根據(jù)動(dòng)力學(xué)原理[13]可知Vw引起的沖擊振幅為

(8)

其中：Xc為工件受沖擊部位的初始位移；ωd為系統(tǒng)固有頻率.

設(shè)初始位移Xc為0，因此式(8)可改寫為

(9)

由于固有頻率ωd及離心振幅Az恒定，因此沖擊振幅的控制系數(shù)受到進(jìn)給速度的影響.其動(dòng)力學(xué)模型可表示為

(10)

其中,Kc為切削系統(tǒng)等效剛度.

由式(6)、(10)可知，剛度是影響機(jī)器人切削振動(dòng)的主要因素之一，因此有必要對(duì)機(jī)器人結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，并建立機(jī)器人剛度矩陣.

1.4 機(jī)器人剛度矩陣

由前文可知，機(jī)器人切削力大小、實(shí)際切削深度與機(jī)器人系統(tǒng)剛度存在耦合關(guān)系，要對(duì)切削深度進(jìn)行有效控制，首先需要建立機(jī)器人剛度矩陣K.如圖5所示，實(shí)驗(yàn)使用的機(jī)器人是在XYZ三平移軸的基礎(chǔ)上增加了A、B兩軸旋轉(zhuǎn)平臺(tái)拓展而成，機(jī)器人Z軸末端裝有三維力傳感器和電動(dòng)切削工具，其中力傳感器軸向與切削工具軸向重合，而曲面工件安裝在轉(zhuǎn)動(dòng)平臺(tái)上.機(jī)器人系統(tǒng)剛度主要受到連桿剛度、傳動(dòng)系統(tǒng)剛度及切削工具剛度的影響.在機(jī)器人工作范圍內(nèi)，連桿剛度和軸承剛度可近似地認(rèn)為足夠大，因此機(jī)器人剛度主要由滾珠絲杠等效剛度Kg、切削工具等效剛度Kj；傳感器剛度Kc串聯(lián)而成：

(11)

圖5 機(jī)器人切削系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

1.4.1 滾珠絲杠剛度

滾珠絲杠剛度由絲杠扭轉(zhuǎn)剛度、軸向剛度以及徑向剛度組成.設(shè)滾珠絲杠扭轉(zhuǎn)剛度為Kn、軸向剛度為Kt，其中[14]

Kn=Gg

(12)

Kt=Eg

(13)

式中：Gg為剪切彈性模量；dg為絲杠的等效直徑；Lg為絲杠長(zhǎng)度；Eg為彈性模量；L1為載荷作用點(diǎn)至止推支承的距離.因此直角坐標(biāo)機(jī)器人滾珠絲杠等效剛度為

(14)

1.4.2 切削工具剛度

切削工具結(jié)構(gòu)如圖5所示，在切削過(guò)程中，其主要受到X及Y方向的切削力，因此其切削形變主要來(lái)自其扭轉(zhuǎn)剛度，可看作是不同直徑圓柱彎曲剛度的串聯(lián)疊加，其中單個(gè)圓柱彎曲剛度為

(15)

式中：Eq為各圓柱部分彈性模量；Iq為切削工具上各個(gè)不同直徑圓柱體的極慣性矩;Lq為相對(duì)應(yīng)的有效長(zhǎng)度.將切削工具等效剛度看作是多個(gè)圓柱彎曲剛度之和:

(16)

其中:q=1,2,…,n,n為圓柱體數(shù)量.將式(14)及(16)代入式(11)得機(jī)械切削系統(tǒng)等效剛度：

(17)

2 自適應(yīng)模糊PID切削力控制

(18)

圖6 PID控制模型

然而，切削是一個(gè)復(fù)雜的動(dòng)態(tài)過(guò)程，其精確數(shù)學(xué)模型難以確定，傳統(tǒng)的PID控制模型中Tp、Ti、Td無(wú)法實(shí)時(shí)調(diào)整，難以快速適應(yīng)曲率變化，造成切削力的非周期性波動(dòng)，最終影響加工質(zhì)量.因此，采用了模糊PID控制策略對(duì)曲面進(jìn)行切削，其實(shí)質(zhì)是根據(jù)傳感器的力反饋，通過(guò)模糊判斷規(guī)則對(duì)切削狀態(tài)進(jìn)行判斷分類，實(shí)時(shí)調(diào)整PID控制系數(shù)Tp、Ti、Td，實(shí)現(xiàn)加工誤差的模糊控制.其控制模型如圖7所示.

圖7 模糊PID控制模型

IF A1 and B1 Then C1

IF A1 and B2 Then C2

而對(duì)于控制量Ti1、Td1則采用單前提單規(guī)則，即

IF A1 Then C1

IF A2 Then C2

為保證切削力的平滑控制，模糊隸屬函數(shù)采用高斯函數(shù)，計(jì)算出隸屬度后，采用最大隸屬度進(jìn)行解模糊.同時(shí)，機(jī)器人切削實(shí)際上是由剛體沖擊碰撞以及穩(wěn)定切削狀態(tài)組成，因此為了驅(qū)使切削力波動(dòng)快速收斂，需要為兩種狀態(tài)分別設(shè)置控制參數(shù).其中，Tp1、Ti1、Td1為沖擊狀態(tài)下的控制參數(shù)，用于減小刀具沖擊振動(dòng)周期，驅(qū)使機(jī)器人快速擠壓工件進(jìn)行切削；Tp2、Ti2、Td2為穩(wěn)定切削狀態(tài)下的控制參數(shù)，其用于對(duì)穩(wěn)定切削過(guò)程中的力控制.控制過(guò)程如圖8所示，首先通過(guò)力傳感器收集機(jī)器人末端受理情況，根據(jù)機(jī)器人剛度矩陣計(jì)算出切削形變，判斷切削狀態(tài).隨后根據(jù)初步實(shí)驗(yàn)得到的模糊規(guī)則確定PID控制參數(shù)，實(shí)現(xiàn)PID控制器的自適應(yīng)調(diào)整，改變切削進(jìn)給速度，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人切削的自適應(yīng)控制.

圖8 模糊PID控制流程圖

3 機(jī)器人曲面切削實(shí)驗(yàn)

3.1 機(jī)器人切削系統(tǒng)

實(shí)驗(yàn)用機(jī)器人切削系統(tǒng)主要包括直角坐標(biāo)機(jī)器人及其擴(kuò)展旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)、力傳感器、切削工具、曲面工件.軸A、B與常用的工業(yè)機(jī)器人一樣，為剛度較弱的開(kāi)環(huán)結(jié)構(gòu)，當(dāng)受到環(huán)境作用力時(shí)，容易產(chǎn)生形變，能較好地反應(yīng)出機(jī)器人受力變形過(guò)程對(duì)切削加工精度造成的影響.以XYZ正極限位置為原點(diǎn)O，以加工平臺(tái)垂直方向?yàn)閆軸，建立世界坐標(biāo)系OXYZ，如圖5所示.相關(guān)設(shè)備尺寸：X/Y軸滾珠絲桿長(zhǎng)980 mm，外徑20 mm，導(dǎo)程20 mm；Z軸滾珠絲桿長(zhǎng)340 mm，外徑15 mm，導(dǎo)程10 mm；六軸力傳感器為德國(guó)ME-FK6D40，XY方向量程為500 N，Z軸方向?yàn)?00 N.電動(dòng)刀具可看作4個(gè)圓柱的組合體，直徑和長(zhǎng)度分別為65和115 mm、52和33 mm、16和39 mm、6和21 mm.曲面切削實(shí)驗(yàn)的切削參數(shù)為刀具旋轉(zhuǎn)速度4 000 r/min，切削深度0.4 mm，規(guī)劃進(jìn)給速度為2 mm/s.

3.2 機(jī)器人切削實(shí)驗(yàn)

為了驗(yàn)證模糊PID策略的有效性，文中實(shí)驗(yàn)切削對(duì)象為鋁合金樣條曲面工件，其曲率的非線性變化，有助于觀察力控制策略的實(shí)際效果，工件形狀如圖9所示，利用軟件SolidWorks繪制而成.

圖9 曲面工件(單位：mm)

首先進(jìn)行了開(kāi)環(huán)控制的曲面切削實(shí)驗(yàn)以及PID力控制切削實(shí)驗(yàn)作為模糊PID力控制的效果對(duì)比.開(kāi)環(huán)控制實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖10所示.

圖10 開(kāi)環(huán)控制的曲面切削實(shí)驗(yàn)結(jié)果

由圖10可見(jiàn)，切削力變化的整體規(guī)律符合前文對(duì)機(jī)器人切削的動(dòng)態(tài)分析，存在剛性碰撞階段和穩(wěn)定切削階段.當(dāng)?shù)毒呓佑|工件時(shí)，刀具切削力及進(jìn)給速度對(duì)工件造成沖擊，進(jìn)入剛性碰撞狀態(tài)，碰撞狀態(tài)下的切削力峰值達(dá)到13 N；隨后進(jìn)入振動(dòng)切削階段，力波動(dòng)大概為6 N，平均切削力約為3.5 N；隨著切削的進(jìn)行，振蕩逐漸減小，并進(jìn)入穩(wěn)定切削狀態(tài)，力波動(dòng)幅度減小至3 N，而平均切削力存在波動(dòng)，波動(dòng)范圍大概為2.0～3.5 N.

隨后進(jìn)行PID控制切削實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖11所示.由圖11可見(jiàn)，碰撞狀態(tài)下的切削力峰值最大達(dá)到8 N，較開(kāi)環(huán)控制的沖擊力減小5 N，而力波動(dòng)最大幅值達(dá)到5 N，減小了1 N.在隨后的切削過(guò)程中，力波動(dòng)逐漸減小至3 N左右，而平均切削力則在2.5～3.5 N范圍內(nèi)變化.從切削力反饋信息可以看出,PID控制能一定程度上減小沖擊振動(dòng)，并穩(wěn)定切削狀態(tài)，但沖擊振動(dòng)周期仍然較長(zhǎng)，固定的PID參數(shù)難以驅(qū)使切削力快速收斂，造成切削力的持續(xù)波動(dòng).

圖11 PID控制的切削實(shí)驗(yàn)結(jié)果

根據(jù)前文分析，對(duì)PID控制器進(jìn)行改進(jìn)，建立基于模糊控制的自適應(yīng)PID控制器，實(shí)時(shí)調(diào)整切削進(jìn)給速度，實(shí)現(xiàn)切削力平穩(wěn)控制.其中Tp1、Ti1幅值較大,Td1幅值較小，用于剛性碰撞狀態(tài)，驅(qū)使機(jī)器人快速收斂到穩(wěn)定切削狀態(tài)，減小震蕩周期；Tp2、Ti2、Td2則用于曲率變化較小時(shí)的穩(wěn)定切削狀態(tài)，確保機(jī)器人切削可以保持穩(wěn)定切削.模糊PID控制的切削實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖12所示.

圖12 模糊PID控制的切削實(shí)驗(yàn)結(jié)果

由圖12可見(jiàn)，刀具切入工件過(guò)程較為平滑，沖擊震動(dòng)影響較小，碰撞狀態(tài)下的切削力峰值大概為6 N，較開(kāi)環(huán)控制和PID控制大幅減小，這表明模糊PID控制策略能有效減小接觸過(guò)程中的沖擊振動(dòng)；在隨后的穩(wěn)定切削過(guò)程中，力波動(dòng)幅值在3.5 N左右，平均切削力均值波動(dòng)在2.6～3.3 N之間，切削過(guò)程較為平穩(wěn)，切削質(zhì)量得到有效的控制.

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，模糊PID控制策略能減小刀具與工件接觸過(guò)程中的沖擊振動(dòng)，特別是刀具與工件接觸瞬間產(chǎn)生的剛性碰撞，與開(kāi)環(huán)控制曲面切削對(duì)比，沖擊力減小40%，與PID控制對(duì)比沖擊力減小幅度為20%.同時(shí)，模糊PID控制還能有效地抑制曲率變化帶來(lái)的力波動(dòng)幅度以及切削力均值變化情況，較開(kāi)環(huán)控制切削減小幅度為30%，較PID控制切削減小幅度為15%，實(shí)現(xiàn)了有效的切削力控制.

4 結(jié)語(yǔ)

首先分析了機(jī)器人切削動(dòng)態(tài)特性，探討了切削進(jìn)給速度及剛度對(duì)切削狀態(tài)的影響，并根據(jù)切削力波動(dòng)情況對(duì)機(jī)器人切削狀態(tài)進(jìn)行了分類，分析結(jié)果顯示，進(jìn)給速度的改變將影響機(jī)器人形變的釋放程度，從而對(duì)形變引起的加工誤差造成影響.隨后根據(jù)初步實(shí)驗(yàn)結(jié)果，生成了模糊控制規(guī)則，對(duì)形變誤差、誤差變化速度、進(jìn)給速度進(jìn)行了模糊度分類，提出了基于模糊PID的曲面切削力控制策略，通過(guò)對(duì)進(jìn)給速度的實(shí)時(shí)調(diào)整，對(duì)機(jī)器人切削力進(jìn)行控制，從而提高切削質(zhì)量.通過(guò)與開(kāi)環(huán)控制曲面切削、PID曲面切削效果對(duì)比，確認(rèn)了模糊PID曲面切削控制策略的有效性.

由于目前已有的關(guān)于機(jī)器人切削應(yīng)用方面的研究主要集中在平面切削和環(huán)境剛度辨識(shí)方面，較少考慮到機(jī)器人剛度和進(jìn)給速度對(duì)切削形變釋放的影響，本研究為后續(xù)的機(jī)器人切削加工應(yīng)用提供了切削模型和有效的控制方法，并為后續(xù)更深入的智能控制方法研究提供了數(shù)據(jù)支持.

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An Adaptive Force Control Algorithm for Robotic Surface Machining

CHENShou-yanZHANGTie

(School of Mechanical and Automotive Engineering, South China University of Technology, Guangzhou 510640,Guangdong, China)

In order to improve the quality of robotic surface machining, deferent robotic machining states are analyzed, and an adaptive force control scheme?is presented. In the investigation, first, the effects of robot stiffness and feed rate on the machining quality are explored, and a machining kinetic model including both impact part and stable grinding part is constructed. Next, a fuzzy PID-based force control model is established according to the relationship between the machining deformation and the feed rate. Then, the machining deformation is calculated according the force feedback, and the machining quality is controlled by adjusting the feed rate in real time. Finally, the proposed method, the open-loop method and the PID control method are compared, and the results show that the fuzzy PID-based surface force control method helps implement high-precision surface machining force control because it can effectively decrease the amplitude of rigid force fluctuation and impact force value.

surface machining; machining quality; feed rate; robotic deformation; fuzzy PID-based force control model

2016- 05- 16

國(guó)家科技重大專項(xiàng)項(xiàng)目(20152ZX04005006);廣東省科技計(jì)劃項(xiàng)目(2014B090921004，2015B010918002);廣州市產(chǎn)學(xué)研協(xié)同創(chuàng)新重大專項(xiàng)項(xiàng)目(201505031617224) Foundation items: Supported by the National Science and Technology Major Project of China(20152X04005006) and the Science and Technology Planning Project of Guangdong Province,China(2014B090921004,2015B010918002)

陳首彥(1986-)，男，博士生，主要從事機(jī)器人磨削應(yīng)用研究.E-mail:wabyzhu@hotmail.com

? 通信作者: 張鐵(1968-)，男，教授,博士生導(dǎo)師，主要從事工業(yè)機(jī)器人、服務(wù)機(jī)器人中的移動(dòng)機(jī)器人的關(guān)鍵技術(shù)等研究.E-mail:merobot@scut.edu.cn

1000- 565X(2017)02- 0059- 07

TP 242.2

10.3969/j.issn.1000-565X.2017.02.009