【摘 要】
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随着智能制造在高端制造领域的不断深化,工业机器人凭借其高柔性、智能化的突出优势,得到了以航空航天制造业为代表的高精度制造领域的广泛青睐。但开式链结构的固有属性导致其结构刚度远低于数控机床。一方面弱刚性属性会降低产品表面的加工质量,另一方面末端受到的作业载荷也会降低机器人作业过程的轨迹精度,无法满足精度要求高、装配过程复杂的高附加值产品制造装配需求。因此,开展机器人精确建模方法、作业刚度强化机制以及
【基金项目】
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国家自然科学基金面上项目:《面向航空部件高精度作业的机器人刚度强化机制与轨迹补偿方法》.（51875287）； 国防基础科研项目:《面向航天大型构件的测量-装调-加工多机器人协同作业智能控制技术》.（JCKY2018605C002）；
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随着智能制造在高端制造领域的不断深化,工业机器人凭借其高柔性、智能化的突出优势,得到了以航空航天制造业为代表的高精度制造领域的广泛青睐。但开式链结构的固有属性导致其结构刚度远低于数控机床。一方面弱刚性属性会降低产品表面的加工质量,另一方面末端受到的作业载荷也会降低机器人作业过程的轨迹精度,无法满足精度要求高、装配过程复杂的高附加值产品制造装配需求。因此,开展机器人精确建模方法、作业刚度强化机制以及载荷引起的轨迹误差补偿技术研究是克服机器人结构固有缺陷、改善机器人作业性能的有效手段。本文的主要研究成果包括:（1）探究了机器人关节刚度的空间相似性,在此基础上提出了一种空间网格化的采样点规划方法;在不同网格区间内通过静刚度辨识方法分别计算对应的关节刚度,建立了机器人标定空间的变参数刚度模型,并根据辨识结果分析了不同网格空间下关节刚度的分布特性;建立的变参数刚度模型克服了作业空间与机器人姿态对辨识结果的影响,有效提升了机器人末端刚度的表征准确度。（2）提出了融合运动灵巧性指标与关节极限位姿指标的机器人运动学性能综合评价方法;通过分析不同作业任务的切削载荷分布特点,建立了机器人定向刚度评估模型,实现了机器人在特定方向上加工性能的量化评估;针对附加外部轴的机器人作业系统,在运动学性能约束下,提出了以定向刚度为目标的机器人作业姿态综合优化策略,实现了机器人作业姿态与加工站位的优选;仿真结果证明姿态优化方法有效提升了机器人作业性能与加工精度。（3）提出了机器人轨迹误差分级补偿策略与微小线段拟合的插补位置规划方法;建立了耦合自重的机器人运动学参数误差模型,实现了机器人控制指令的离线修正;提出了基于刚度模型的机器人作业误差预测方法,实现了载荷引起的作业误差在线预测;为解决误差预测与补偿位置的匹配性问题,提出了错位修正的轨迹补偿策略,实现了轨迹误差的精确控制。（4）通过离散位置的静载荷引起的误差补偿试验验证了机器人变参数刚度模型的表征准确性;在制孔与铣削试验中通过姿态优化前后的加工质量对比,对刚度强化的有效性进行了验证;针对直线轨迹和圆弧轨迹铣削任务开展了轨迹误差补偿试验,试验结果表明提出的补偿方法可以有效修正加工过程中的轨迹误差;通过对航天器支架部件开展铣削试验,证明本文提出的方法可以使机器人作业装备满足高精度加工任务的工艺需求。本文研究成果推动了以工业机器人为载体的先进制造装备在高端制造领域的推广应用,具有重要的理论指导意义和工程应用价值。
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