【摘 要】
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目前,对工件表面的抛磨仍以人工为主,不仅工作效率低、加工质量一致性差,而且对人体健康造成巨大危害,因此采用机器人自动化抛磨的需求日益迫切。机器人抛磨系统大多需要力控末端执行器实现抛磨力的实时控制,传统力控末端执行器采用单一的气缸、电机等驱动方式具有局限性。本文提出了一种气-电混合的力控末端执行器驱动装置,它由音圈电机和氮气弹簧组成,充分利用了音圈电机力控精度高、响应速度快和氮气弹簧缓冲减振性好的优
【基金项目】
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国家重点研发计划“智能机器人”重点专项（2018YFB1308900）:汽车轮毂智能磨抛机器人系统研发及产业化； 省自然科学基金（Y21E050073）:基于音圈电机和弹性支撑的单自由度力控末端执行器设计与控制研究； NSFC-深圳两化融合联合基金（U1813223）:基于宏微机构的智能磨抛机器人关键技术研究；
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目前,对工件表面的抛磨仍以人工为主,不仅工作效率低、加工质量一致性差,而且对人体健康造成巨大危害,因此采用机器人自动化抛磨的需求日益迫切。机器人抛磨系统大多需要力控末端执行器实现抛磨力的实时控制,传统力控末端执行器采用单一的气缸、电机等驱动方式具有局限性。本文提出了一种气-电混合的力控末端执行器驱动装置,它由音圈电机和氮气弹簧组成,充分利用了音圈电机力控精度高、响应速度快和氮气弹簧缓冲减振性好的优点,弥补了单独电机驱动阻尼小、易振动和单独气缸驱动响应速度慢的缺点,对于提高机器人连续接触式抛磨作业的效率、曲面适应性和抛磨质量具有重要意义。主要内容如下:（1）设计了一款平均电磁力为140N的圆筒型中空音圈电机为力控末端执行器提供驱动力。电机定子采用Halbach永磁阵列,利用其聚磁效应既减弱了氮气弹簧引起的漏磁,又提高了推力密度;根据等效磁路法建立了磁场模型,优化了电机尺寸。根据热网络法建立了温度场模型,优化了散热片数量及尺寸。最后通过有限元软件Comsol对电机磁场和温度场进行了校核和验证。（2）研究了装配在电机中间空腔内氮气弹簧的工作原理、弹压力与位移的关系,为系统响应特性的优化提供了依据。根据气电混合驱动装置力平衡、响应时间和超调量的匹配需求,优化了拉伸弹簧的刚度和初始拉力,设计了气-电混合驱动装置的整体构型。（3）设计了气电混合驱动装置的伺服驱动器及其驱动控制软件。驱动器包括MCU主控电路、H桥功率电路、电流采样电路和通讯接口电路等部分。软件系统包含中断服务程序、外设配置、PID算法及其离散化处理等。（4）搭建了实验平台,进行了音圈电机的电磁力测试和温升测试,实验结果均与模型计算和有限元仿真相吻合。对伺服系统进行了位置和力的闭环控制性能测试,验证了驱动装置的可行性和有效性,并对仿真和实验所产生的误差进行了分析。
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