机器人切削应用是目前的研究热点之一,如何实现机器人高效、高精度切削加工已经成为目前工业机器人应用研究的主要内容。由于刚度不足,机器人受到切削力的作用后将产生一定切削变形和振动,造成加工误差并降低机器人切削质量,许多研究者尝试利用轨迹规划和力控制方法对切削变形和振动进行控制,从而提高机器人切削加工质量。本文的研究目的在于针对机器人切削变形和振动的情况,建立适用于机器人切削的加工模型,并在此基础上利用控制方法对机器人切削变形和振动进行控制,因此本文以机器人切削应用作为研究对象,对机器人切削加工模型和控制方法进行研究,其中切削加工模型主要包括机器人切削系统刚度模型、切削动力学模型、轨迹规划模型等,控制方法的研究主要集中在机器人切削力控制。研究的主要思路是首先分析不同传动结构机器人末端的刚度情况,通过刚度仿真和实验观察机器人末端刚度的变化情况,并找到刚度变化较为稳定的区域,将其作为机器人切削加工空间。随后根据机器人切削变形情况,建立适用于机器人的切削加工模型,并在此基础上利用轨迹规划方法和切削力控制方法对切削变形进行补偿和控制。主要内容如下:对机器人末端刚度影响因素进行分析,建立机器人刚度模型。根据机器人传动系统结构特点,对机器人传动系统刚度组成单元进行拆分,建立传动系统的关键元件的刚度模型,利用机器人传动系统与机器人末端刚度之间的映射关系,推导出机器人末端刚度计算模型。以三自由度直角坐标机器人切削系统和六自由度旋转关节机器人为例,阐述机器人末端刚度的计算过程。进行三自由度直角坐标机器人和六自由度旋转关节机器人刚度仿真,通过仿真观察并验证机器人末端刚度的变化规律,最后选取适用于机器人切削加工的刚度空间。针对机器人刚度不足产生较大变形和振动的问题,对机器人切削动力学进行研究。由于机器人刚度较传统数控机床弱,机器人切削动态特性较数控机床切削动态特性更为复杂,传统切削模型难以直接应用在机器人切削过程。针对此问题对机器人切削变形的产生过程进行分析,探讨机器人刚度、进给速度、切削角度与切削变形和切削力之间的关系,并在传统切削模型的基础上引入机器人刚度矩阵,建立适用于机器人的切削动力学模型。为了补偿机器人变形,减小由于机器人变形和振动造成的轨迹误差,提出基于机器人变形的轨迹优化方法。以B样条曲线为例,介绍机器人轨迹插补点规划的实现过程,根据插补点位置和进给速度之间的关系,推导出轨迹规划速度约束公式。随后根据机器人切削动力学模型中进给速度和切削变形之间的关系,建立了基于变形的B样条轨迹插补点约束方程,从而对机器人切削轨迹规划的插补点位置和插补点速度进行优化,实现对机器人切削变形和振动的控制。除了轨迹规划,切削力控制也可以实现补偿由变形引起的加工偏差。针对机器人切削动力学模型的强耦合性和非线性,提出四种切削力控制方法。对机器人切削动力学模型的非线性情况,设计基于模糊规则的PID切削力控制器。PID控制模型简单易于设计,而模糊策略则能对非线性系统的不同状态进行分类分段控制,基于模糊规则的PID切削力控制器可以根据切削状态调整控制参数实现机器人切削力的分段控制。对控制系统噪音、工件表面质量不均匀、切削系统共振等非线性系统干扰,提出基于模糊滑模的切削力控制方法。该方法利用滑模变结构控制的鲁棒性,通过设置滑模面将切削状态吸引在滑模面附近,并沿着滑模面滑动到达目标状态。由于滑模面的吸引,切削状态对外界干扰的敏感性降低,使得机器人切削状态能稳定在一个小范围空间中,鲁棒性得到了提高。由于建立的机器人切削力模型时简化了很多因素,造成理想动力学模型和实际动力学模型之间存在误差,针对此问题设计了基于粒子群算法的PD切削力控制器,其特点在于利用粒子群算法的自我寻优特性,使得控制参数可以根据实际切削状态进行自我优化,从而提高机器人切削控制模型的精确性。随后针对粒子群算法迭代优化速度较慢的问题,提出一种基于自适应滑模迭代的控制模型,其特点在于自适应迭代算法模型简单,能更快的实现控制参数的自我优化。为验证机器人切削动力学模型和控制方法的有效性和可行性,搭建三自由度直角坐标机器人切削实验平台和六自由度关节机器人切削实验平台,在两个实验平台上进行切削实验验证加工模型和控制方法的正确性。实验内容主要包括:机器人刚度辨识实验,验证机器人刚度矩阵的有效性;第二部分为机器人切削基础实验,对机器人切削动力学参数进行辨识,分析切削参数对机器人切削力的影响;第三部分是机器人曲面切削轨迹规划实验;第四部分为机器人切削力控制实验,包括基于模糊PID的切削力控制实验、基于模糊滑模的切削力控制实验、基于粒子群算法的PD切削力控制实验以及基于滑模迭代的PD切削力控制实验。