【CJME论文推荐】厦门大学王振忠副教授团队：机器人气囊抛光的运动建模与控制
Huang, X., Wang, Z. & Lin, Z. Movement Modeling and Control for Robotic Bonnet Polishing. Chin. J. Mech. Eng. 35, 68 (2022). https://doi.org/10.1186/s10033-022-00751-y
https://cjme.springeropen.com/articles/10.1186/s10033-022-00751-y(戳链接，下载全文)
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研究背景及目的
高精度曲面元件被应用在各个工程领域，其中高精度光学元件具备优越的光学性能，是航空航天和军事国防领域许多重大工程不可或缺的关键基础元器件，不仅需求量巨大且涉及国家安全，因此发展其超精密批量加工水平十分重要。气囊抛光技术被广泛应用于光学元件的抛光工序，但由于专用气囊抛光机造价昂贵，且常规尺寸的气囊抛光机的加工范围有限。因此结合气囊抛光技术与机器人辅助加工技术，开发机器人气囊抛光系统，以期降低气囊抛光技术设备的成本，将气囊抛光技术应用于更多抛光场合。
图1 机器人气囊抛光的运动轨迹模型
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试验方法
本文结合气囊抛光技术与工业机器人辅助加工技术，提出针对大口径轴对称非球面光学元件的机器人气囊抛光控制模型。利用空间坐标系变换关系，分别建立工件坐标系、抛光点局部坐标系以及气囊球心工具坐标系的变换关系，得到气囊进动抛光运动模型。在运动模型中加入效率最优控制策略，仿真得到大口径轴对称非球面元件抛光轨迹，以及联动角度差值变化。通过Robotstudio离线仿真软件对机器人运动进行仿，可验证本文所建立的进动运动模型以及控制算法的正确性。
图2 在Robotstudio中进行气囊抛光的离线仿真
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结果
仿真路径的气囊球心分布与非球面面型分布规律一致，可验证其位置控制准确。在姿态控制中，由初始位置运动到第一个抛光点需要较大的角度行程，而在任意两个抛光点间犹豫非球面曲率变化小，机器人角度变化也较小。为了确保控制程序准确有效，将生成的机器人控制代码导入ABB机器人专用仿真软件Robotstudio，验证该控制方法准确有效，采用TCP速率，不考虑抛光驻留时间，运动仿真时间126.9s。
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结论
本文开发的机器人气囊抛光系统可成功应用于光学元件的抛光工序，抛光区域的采样点平均粗糙度Ra为1.4nm,去除效率为0.138μm/s。本文使用机器人为运动载体，相比于专用机床，设备成本大幅下降，而且可加工范围更广。
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前景与应用
可应用于大口径光学元件的初步抛光工序，提高抛光效率。相关文章/图书推荐
[1] Ri Pan, Zhong Bo, Wang Zhenzhong, et al. Influencing mechanism of the key parameters during bonnet polishing process[J]. The International Journal of Advanced Manufacturing Technology, 2018, 94(1-4): 643-653.
[2] C Shi, Peng Y, Hou L, et al. Micro-analysis model for material removal mechanisms of bonnet polishing[J]. Appl Opt, 2018, 57(11): 2861-2872.
[3] C Shi, Peng Y, Hou L, et al. Improved analysis model for material removal mechanisms of bonnet polishing incorporating the pad wear effect[J]. Appl Opt, 2018, 57(25): 7172-7186.
团队带头人介绍
王振忠，厦门大学航空航天学院机电工程系副教授。2006.9-2009.7厦门大学机电工程系，博士，中国工程物理研究院激光聚变研究中心联合培养博士2009.7-2011.3厦门大学物理与机电工程学院物理学流动站，博士后2009.7-2010.3日本秋田県立大学机械智能系统学科，流动研究员2011.3-至今厦门大学机电工程系，副教授近年来承担气囊抛光技术相关项目：[1] 国家自然科学基金项目“光学柔性气囊抛光的全频段误差控制理论及其工具磨损性能的伴生演化机制”（No. 52075462），2021.1-2024.12，项目负责人[2] 工信部光学材料超精密加工成套装备项目“五轴数控气囊式抛光机床”（TC190JED-202），2019.6-2022.5，项目负责人[3] 深圳科技计划项目“高精SiC元件的机器人气囊抛光过程颤振发生机制及抑制方法研究”（JCYJ20180306172924636），2019/03-2021/03，项目负责人[4] 委托开发课题“非球面保形快速抛光机床相关验证技术开发”（XDHT2020631A），2020.11-2022.12，项目负责人[5] 委托开发课题“气囊动态特性监测与预警部件”（校合20213160A0313），2021.7-2021.11，项目负责人
团队研究方向
超精密加工装备技术与应用、精密与特种加工、机器人集成应用技术
近年团队发表文章
[1] Huang X, Wang Z*, Shen B, Lei P, Fu Z. Research on optimization method of process parameters for SiC components robotic bonnet polishing. Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers, Part C: Journal of Mechanical Engineering Science. May 2022. doi:10.1177/09544062221104024
[2] Lu, F., Wang, Z.*,Lei, P.,Chen, Y. Study on the Static Characteristics of a Pre-Pressure Single-Action Membrane-Type Restrictor Used in a Single Oil Pad. Machines 2022, 10, 302. https:// doi.org/10.3390/machines10050302
[3] Wang ZZ, Lin ZW, Wang QJ. Investigation on Key Removal Characteristics of Fixed Abrasive Diamond Pellets Elasticity Tool, JOURNAL OF THE CHINESE SOCIETY OF MECHANICAL ENGINEERS, 2022, Vol.43, No.2:87-96.
[4] 王振忠,施晨淳,张鹏飞,杨哲,陈熠,郭江.先进光学制造技术最新进展[J].机械工程学报,2021,57(08):23-56.
[5] Chenchun Shi, Zhenzhong Wang, Yunfeng Peng, Pengli Lei, Chenlei Li. Quasi-static kinematics model for motion errors of closed hydrostatic guideways in ultra-precision machining.Precision Engineering, 2021, Vol.71, pp.90-102.
[6] Lei Pengli ,Wang Zhenzhong, Shi Chenchun, Peng Yunfeng, Lu Feng,Liu Zuhui. Experimental study on the reliability and the precision maintenance of the ultra-precision grinding machine based on the key subsystem platforms. The International Journal of Advanced Manufacturing Technology (15 November,2021)
[7] Huang, Xuepeng, Zhenzhong Wang, Bingyi Shen, and Pengli Lei. 2021. Research on Self-Aligning Flanges Based on Piezoelectric Actuators Applied to Precision Grinding Machines.Micromachines 12, no. 11: 1393.
[8] Lei, P.; Wang, Z.; Shi, C.; Peng, Y.; Lu, F. Simulation, Modeling, and Experimental Research on the Thermal Effect of the Motion Error of Hydrostatic Guideways. Micromachines 2021, 12, 1445.
[9] 施晨淳,王振忠,彭云峰,李陈磊,孔刘伟. PM流量控制器参数对液体静压导轨运动精度影响的研究[J]. 机械工程学报, 2020, 56(1): 157-165.
[10]Shi CH, Wang ZZ ,Peng YF. Influence of relative difference between paired guide rails on motion accuracy in closed hydrostatic guideways. Journal of Mechanical Science and Technology, 2020: 34(2), pp.631-648.
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编辑：谢雅洁 校对：向映姣
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