一、研究背景和意义
2022年中国汽车保有量3.19亿辆，同比增长5.63%，市场规模1118.59亿元。我国是世界汽车轮毂生产大国，每年产将近7~8亿。
轮毂是汽车的重要零部件，直接关系到汽车的整体性能及外观。为减轻重量，提高制造精度，减小惯性阻力，减少油耗，改善外观，大多采用合金材质轮毂，如铝、镁合金和钢等。
汽车轮毂最终的外观质量“七分靠磨抛，三分靠电镀”，表面磨抛是汽车轮毂生产过程中的一项重要工艺。
轮毂的结构复杂，品种、型式多样，连续接触式轮毂抛光自动化难度大。目前仍主要依赖于人工抛光：
工作环境差，危险性高；
抛光精度低，质量不稳定；
劳动强度高，抛光效率低；
生产成本高。
机器人化轮毂抛光具有如下优点：
自动化作业、生产效率高；
抛光精度高、质量稳定性好；
灵活度高、适应性好；
生产成本低。
影响国内汽车轮毂磨抛机器人系统推广应用的主要问题：
1.机器人磨抛工艺研究不足：缺乏系统性的研究方法和有效的材料去除率模型，磨抛工艺参数主要凭经验选择；
2.机器人的绝对定位精度偏低：传统的几何参数标定方法难于有效提高机器人的绝对定位精度，影响了离线编程方法的应用；
3.主动力控制技术不完善: 开云电竞官网下载app
多不具备力控功能，现有气动力控末端执行器动态响应慢、灵活度差，难于保证轮毂磨抛质量一致性；
4.缺少轮毂磨抛专用离线编程系统与工艺软件包：主要依赖商用CAD/CAM软件，人工干预多，编程效率低。
二、关键问题与技术
三、研究成果及创新
成果1：手腕偏置磨抛机器人设计与控制
成果1.1 手腕偏置磨抛机器人设计
研究目标：设计满足轮毂磨抛需求的腕部（第五轴）360°开云电竞官网下载app 。
解决方案：设计了侧端偏置手腕结构，优化5、6轴系传动与支撑；基于重心集中设计思想，所有关节与杆件结构动态优化；基于刚柔耦合模型进行机器人机构动态优化，完成了机器人机构设计。
成果1.2 手腕偏置磨抛机器人逆运动学建模
研究问题：磨抛机器人第五轴存在偏置，逆解解析解难以求取。
解决方案：基于手腕侧端偏置结构特点，构建了新型的非线性方程组，减少计算量；
提出了由粗到精的两步法求解手腕偏置机器人逆解，收敛速度。
成果1.3 磨抛机器人末端姿态优化和关节轨迹规划
研究目标：如何使机器人轮毂磨抛加工时保持最佳工作姿态？
解决方案：建立了基于评价指标的优选工作空间机制，优选出机器人高灵活性运动空间；基于机器人末端位置和姿态变化阈值，提出了改进的DP算法，优选加工路径点。
成果2：机器人精度标定与误差补偿
研究目标：通过机器人精度标定与误差补偿，提高机器人绝对定位精度。
解决方案：提出局部指数积公式建立机器人几何误差模型，采用最小二乘法对参数进行辨识，并对误差进行补偿；提出高斯学习方法实现机器人非几何误差模型建立与误差补偿。
成果3：力控末端执行器与机器人力位混合控制
成果3.1 单自由度力控末端执行器设计
研究目标：研发一种新型精度高、响应快、柔性好、质量轻的单自由度气电混合式力控末端执行器，以实现高精度接触力控制，满足开云电竞官网下载app
抛光、打磨、去毛刺等连续接触式作业。
解决方案：气电混合并联驱动，既提高力控精度，有效缓和冲击与振动，提高力控稳定性；电动部分采用音圈电机直驱，动态响应快，力控精度高；增加拉伸弹簧，可有效补偿重力，又提高了系统刚度和动态响应。
成果3.2 基于双力传感器的单自由度力控末端执行器力控方法
研究问题：基于动力学模型的控制方法，虽然可以提高响应速度和稳态精度，由于物理建模与数据建模过程存在模型误差和参数误差，力控性能仍受限。
研究方法：基于双力传感器宏微系统解耦控制方法。
成果3.3 2R1T力控末端执行器设计
研究目标：研制具有两转动一平动(2R1T)自由度的力控末端执行器，用于复杂曲面磨抛作业。具备简洁的运动学关系、低运动质量。
解决方案：采用结构紧凑、刚度高的3PPS并联机构，基于“零扭转”特性和改进的姿态描述方法推导了解析且线性的位移正解，便于机构设计与控制；柔性铰链（导轨）刚柔混合设计，低运动质量、无摩擦；主动关节采用音圈电机直驱，高动态响应。
成果3.4 基于接触点位姿补偿的2R1T末端执行器力控方法
研究问题：传统机器人应用通常将末端执行器视为刚体，难以补偿2R1T力控末端执行器倾角变化导致的接触点偏移，降低了宏微机器人磨抛系统的力控精度。
解决方案：引入接触点补偿模型的混合姿态/力控制算法。
成果4：轮毂磨抛工艺建模与软件包开发
4.1 面向端磨工艺的法向接触力建模
研究问题：磨具与工件存在接触倾角，如何预测法向接触力随接触倾角和工件曲率的变化。
解决方案：通过微分几何分析，得到以接触倾角和工件曲率半径为变量的接触深度分布函数；基于非线性应力-应变模型，进一步得到幂函数形式表达的法向接触力半解析公式。
4.2 表面粗糙度分析与磨抛工艺参数优化
研究目标：建立以表面粗糙度为评价指标的分析模型，并对工艺参数进行优化。
解决方案：提出了以表面粗糙度为评价指标的工艺参数分析模型，更适合机器人的抛光作业；基于多因素正交实验方法，确定最主要影响因素及各工艺参数的最优值。
4.3 机器人离线编程系统
研究问题：汽车轮毂种类繁多、形状复杂，导致机器人编程工作量大、效率低
解决方案：由工件三维数模直接生成机器人程序，大幅度提高了复杂空间曲面的离线编程效率；提出了工具轨迹优化方法，工件曲面的UV线-轨迹/轮廓偏差-优化，加工平顺性和加工质量；实现了机器人离线运动仿真，仿真后的数据可直接导出为机器人程序。
4.4 轮毂磨抛工艺软件包
研究目标：研发面向轮毂机器人磨抛的工艺数据库与工艺软件包。
解决方案：建立了磨抛工具库与工艺数据库，定义了不同型号，不同区域的抛光工具及工艺参数；开发了轮毂磨抛专用工艺软件包，推荐优化工艺参数与工具，提高磨抛效率与质量
成果5：轮毂智能磨抛系统集成与示范应用
5.1 轮毂智能磨抛系统集成
5.2 轮毂智能磨抛系统示范应用
四、结论与应用
针对轮毂磨抛需求，研发了6款力控末端执行器、1款磨抛机器人（腕端运动范围360°）和2个应用示范单元（小尺寸简单轮毂磨抛和大尺寸复杂轮毂磨抛）。
结论
1.轮毂磨抛建模与工艺参数优化：提出了磨抛过程的半解析接触力模型；提出了轮毂表面粗糙度模型的工艺参数优化方法。
2.机器人系统研制与参数标定：研发了腕端360°转动的磨抛机器人系统，提出了两步法逆解求取方法；提出了机器人几何与非几何误差参数辨识与误差补偿方法。
3.力控末端执行器与机器人力位混合控制：研发了6款力控末端执行器，满足不同磨抛应用需求；提出了基于双力矩传感器和接触点位姿补偿的机器人力控方法。
4.离线编程系统与工艺软件包开发：开发了轮毂磨抛机器人离线编程系统，开发了轮毂磨抛工艺软件包。
5.产教融合：场景认知-主动学习；目标导向-引领创新创业；学科交叉，科研促进教学。
复杂表面检测与修型机器人系统
面向复杂弹性表面处理需求，开发了集智能检测与机器人修补工艺结合的重载复合机器人系统。
应用与产业化——芜湖英视迈智能科技有限公司
轮毂加工去毛刺工艺，目前以人工为主，粉尘和劳动强度是最大挑战，团队已完成轮毂自动去毛刺机器人开发工作，形成了轮毂自动去毛刺工作站。借助轮毂2D图纸/3D模型自动规划窗口去毛刺路径，通过高精度2D相机识别与定位，实现轮毂自动化混线去毛刺加工。
