工业机器人技术的进步和应用是推动我国智能制造发展的重要手段和关键环节,已成为自动化生产线中必不可少的核心装备。近年来,以工业机器人为运动主体,特别是六自由度串联机器人,末端装配高速电主轴的机器人加工系统在金属切削加工领域得到了迅猛的发展。相比于传统数控机床,机器人切削加工具有成本低、工作空间大、空间可达性好、柔性高等优点,特别适合大尺寸、低切削力和低精度要求的复杂曲面加工。相比于机器人抛光、打磨、钻孔等工艺,机器人铣削加工难度更大,而振动问题是关键制约因素之一。导致切削振动的原因有很多,其中包括由不平滑的加工轨迹主动引发的振动和弱刚性导致的颤振。使用串联机器人进行铣削加工,开链式多杆串联结构与弱刚性对各关节轴的振动具有放大作用,容易导致末端发生较大波动,对轨迹控制的平滑性要求高。同时,弱刚性导致机器人加工系统对工作载荷的耐受能力较低,在铣削力作用下更容易发生颤振现象,严重影响加工精度和表面质量。因此,考虑机器人的结构与弱刚度特性,研究机器人的轨迹规划方法(包括路径与速度规划)与颤振稳定性问题,提高加工过程的运动平滑性,从根本上减少轨迹控制主动引发的振动,同时了解加工系统的动态特性,并指导加工参数的选择,对工艺质量的提高与推广应用具有重要意义。本文围绕六自由度串联机器人铣削加工系统,对机器人轨迹规划方法与颤振稳定性问题展开研究,主要内容如下:(1)研究了铣削加工机器人路径规划中的冗余自由度问题,提出了基于分段全局最优化策略的优化规划方法。首先,综合考虑机器人的奇异性与刚度,定义了加权性能指标。同时,将关节限位约束作为规划判断条件,并给出了考虑中间点的关节限位判断方法。然后,提出了分段全局最优化策略,对整条路径轨迹进行分段,并逐段进行全局最优化规划。另外,也提出了确定相邻规划点冗余自由度位移约束的新方法。最后基于综合加权指标与分段全局最优化策略提出了冗余自由度规划方法,改善了规划效果。(2)研究了考虑圆整误差的速度规划问题,提出了基于时间双向圆整的速度规划方法。首先,分析了 S型加减速曲线的特性并总结出各参数间存在的单调性关系,据此提出了基于时间向上圆整的速度规划方案,适用于多种情况,能将各运动参数约束在给定范围之内,保证运动的平滑性。然后,针对以上方法不适用的情况,提出了基于时间向下圆整的速度规划方法,能够显著减小圆整时间及对应的误差量,并保证误差补偿后加速度的连续性。最后,综合以上两种方法,提出了基于时间双向圆整的速度规划方法,适用于各类情况,对各项运动参数形成有力约束,保证了运动的平滑性。(3)研究了针对非均匀有理B样条(NURBS)路径的速度规划问题,提出了基于S型加减速的双向自适应速度规划算法。首先,基于S型加减速算法的基本原理,提出了自适应速度规划方法,提高了规划的精度。然后,为同时考虑到曲线段两侧端点区域的各项速度约束,提出了双向插补策略,包含自适应任务调度方法与双向插补相遇处理算法,能够使针对同一曲线段插补的加速和减速过程从两个方向同时、有序进行,提高了规划的精度,确保了双向插补在相遇点处的运动平滑性。同时,考虑了双向插补中的圆整误差问题,保证了运动的平滑性。(4)研究了机器人平滑加减速方法问题,提出了基于多项式与三角函数的加加速度连续的加减速算法,进一步提高运动的平滑性。首先,综合使用多项式函数与三角函数来构造加加速度曲线,使最大加加速度与加速度得到保持,保证轨迹平滑的同时具有较高的运动效率。然后,提出了一种确定三角函数部分与多项式部分组成关系的比例构造方法,降低了独立变量的个数和速度规划的计算量,比例参数的可配置也提高了该算法使用的灵活性。最后,给出了基于该加减速算法的速度规划方法,考虑了时间圆整问题,并基于简化的加减速算法实现了圆整误差的补偿,保证了加加速度的连续性。(5)研究了机器人铣削加工系统的动态特性与颤振稳定性问题。首先,建立了平头铣刀立铣加工过程的平面多自由度物理空间动力学模型与切削力模型。然后,基于非对称复模态理论,对机器人加工系统进行实验模态分析,辨识各阶模态参数,并重新构建了模态空间动力学模型。最后,基于半离散法对机器人铣削加工系统进行稳定性分析,绘制稳定性瓣图,并进行了铣削实验验证。