加工误差难以降低严重制约了工业机器人在大型复杂零件精密加工中的应用,其中机器人位姿误差、手眼参数误差、工件位姿误差与工具位姿误差等几何因素是引起加工误差的关键。例如空载状态机器人的位姿误差90%是由关节运动学误差引起的,而由弱刚性引起的几何误差则是机床的50倍,灵巧性、碰撞避免、关节极限与工作空间等约束也极大增加了机器人加工误差研究的复杂性。本文综合考虑上述因素,以机器人、视觉传感器、工件与工具为研究对象,以控制加工误差为目标,对机器人加工误差传递、参数辨识、位姿优化等几何误差建模问题进行深入研究,提出多种降低加工误差的理论与方法,并应用到工程实践中。主要研究成果包括:(1)机器人加工系统运动链与加工误差传递建模。构建机器人加工系统空间运动链,研究几何参数对加工误差的影响规律;提出考虑曲率特征的加工误差定义方法,统一现有的点-点、点-切面距离表示的误差定义方法,提高加工误差理论计算精度;应用空间运动链与加工误差定义方法,建立关节运动学误差、关节刚度、工件/工具位姿误差与加工误差的传递模型,为几何参数精确辨识与整体位姿优化提供理论基础。(2)考虑关节运动学误差补偿的手眼参数辨识。研究以Kronecker积为数学工具的关节运动学参数/手眼参数初值的同步求解方法,建立关节运动学误差/手眼误差与机器人末端定位误差的传递模型,提出关节运动学误差补偿与手眼误差辨识/校正方法,解决手眼参数辨识精度受限于机器人运动精度的局限性;提出迭代求解最佳旋转正交矩阵的微分运动法,避免Schmidt方法多解性带来的不确定误差,该方法具有通用性(不局限于手眼旋转矩阵求解),适用于一般非标准旋转矩阵的正交化计算。(3)考虑测量缺陷影响的工件位姿参数辨识。提出以距离方差最小化为目标的点云匹配新方法,解决现有ICP/TDM等匹配方法因测量点云存在形状不封闭、密度不均匀、高斯噪声等现场固有缺陷产生的匹配失真问题(切向滑移与不平衡倾斜);通过严格的数学推导证明了方差最小化匹配与TDM匹配等效的充分条件:所有测点及其法矢构成的线矢量(Plücker坐标)之和等于矢量零,并通过仿真实验与实测实验验证所提匹配方法的二阶快速收敛性,以及抑制测量缺陷/高斯噪声/切向滑移的有效性,该方法已用于中航发某厂14款航空铸造/机加叶片的快速定位与检测,经济效益提升显著。(4)基于曲面加工误差估计的工具位姿参数辨识。以加工误差传递模型为基础,建立工件/工具位姿误差与隐函数/参数曲面加工误差的映射模型,定量推导位姿误差与圆柱、球面、平面和一般曲面加工误差的映射关系;定义加工误差估计值与实际值的残差平方和目标函数,将7个变量的位姿参数辨识转换为大规模点云匹配问题,提高了位姿参数辨识的稳定性。相比现有的多点构造法,该方法1)反应了工具在加工时因抖动、受力变形、回转轴误差引起的位姿误差;2)不受靶标与工件形状限制,适用于航空/核电叶片、机翼蒙皮等一般曲面工件的位姿参数辨识与误差校正。(5)基于加工误差控制的位姿优化通用模型。提出采用工具/工件坐标系微调实现加工误差的整体补偿方法,可避免修改所有目标点来降低整体加工误差;以控制加工误差为目标函数,以关节极限、运动灵巧性、碰撞避免、可达工作空间为约束条件,建立工件/工具/机器人位姿优化通用模型,该模型可推广应用于法向深度(磨削/铣削)、切向滑移(制孔)、角度倾斜(切边/制孔)等多种类型加工误差的控制,具有通用性。(6)在上述研究基础上,开发出机器人加工系统几何参数辨识软件模块,应用于机器人磨削/切边系统的几何参数自动辨识(关节运动学参数、手眼参数、工件位姿参数、工具位姿参数);并以标准圆柱实际加工作为对比实验,验证了本章所提加工误差控制方法的有效性,最后将所提方法应用于2款叶片的磨削与4款蒙皮的切边,叶片加工后的前后缘半径、凹凸面偏差、最大厚度、粗糙度等均控制在设计要求范围内,蒙皮切边后的对缝间隙符合工艺要求。