双机器人协作弱刚性构件铣削刚度强化与颤振抑制方法技术

本发明专利技术提供了一种双机器人协作弱刚性构件铣削刚度强化与颤振抑制方法，包括：搭建弱刚性支架的动力学模型，确定最优支撑力的大小、方向及作用点；分析机器人系统各结构间的耦合关系，并通过变微分法建立机器人机电耦合动力学模型；结合AGV冗余自由度，确定刚度强化的最优支撑姿态与支撑力；通过采集并分析机器人铣削颤振，结合动力学模型与电机电流‑电机扭矩映射模型，在不改变机器人支撑姿态及铣削轨迹的基础上确定颤振抑制的电机电流。本发明专利技术的方法，柔性好、自适应强，同时考虑了支架与机器人的刚度强化与姿态优化，通过调节电机电流实现双机器人协作颤振抑制，实用性及通用性好。

【技术实现步骤摘要】
双机器人协作弱刚性构件铣削刚度强化与颤振抑制方法
本专利技术属于弱刚性构件铣削加工
，涉及双机器人协作弱刚性构件铣削刚度强化与颤振抑制方法。
技术介绍
随着航空航天产品的不断发展，其高性能需求对加工工艺及装备提出了更高的挑战。加工颤振是铣削加工过程中不可避免的一种不稳定现象，其严重影响加工质量与效率，严重时将产生刀具磨损、断裂，甚至造成工件报废。对于弱刚性结构件外装配支架的铣削加工，其整体结构尺寸大、开敞性差、加工面多且统一基准精度要求高，传统的分体离线的机床加工方法已经无法满足加工需求，研究一种能够抑制大型弱刚性构件铣削加工颤振的加工工艺及机器人智能装备，具有十分重要的理论与实际应用价值。构件的弱刚性是导致其铣削加工颤振的主要原因之一，中国专利“CN108846242A，基于预压应力施加的薄壁件铣削颤振抑制方法”，采用模态实验得到工件及刀具的模态参数，构建薄壁件铣削动力学模型并绘制稳定叶瓣图，通过求解固有频率与轴向切深及预拉应力之间数学模型得到所需拉应力大小，实现铣削加工颤振抑制。中国专利“CN109968099A，基于动支撑的薄壁件铣削颤振抑制方法”，利用有限元得到工件质量、刚度和阻尼矩阵，通过接触理论计算得到动支撑提供的等效刚度和阻尼，快速得到工件在不同刀具位置点处的动力学参数并进行稳定性预测。上述两项专利方案分别采用施加预应力和动支撑的方式提升工件的刚度来抑制薄壁件的加工颤振，颤振抑制方法上对工件的开敞性及表面的平整度有较高的要求，同时忽略了加工设备的颤振，抑制效果有限。除了工件及刀具的加工颤振外，机器人装备也是影响颤振抑制效果的重要因素，中国专利“CN111633650A，一种基于机器人刚度特性的模态耦合颤振抑制方法”，设定机器人姿态和主轴进给方向，建立关于切削刚性的二自由度模态耦合动力学方程，结合稳定判定条件，在不稳定的待铣削处进行机器人姿态和主轴进给调整，实现模态耦合颤振抑制。该方法中改变机器人姿态的方法对机器人精度有较高的要求，若存在误差则直接影响铣削精度，且不适用于开敞性差及大范围铣削加工，而进给方向的调整直接影响后续加工余量，存在较大的局限性。由于机床是现有主要的铣削加工装备，因此目前的颤振抑制方法主要是针对刀具及工件，且其对适用的场景及对象有较高的要求，不适用于大尺寸、开敞性较差的薄壁件外支架面铣削加工。机器人装备由于其高柔性、高灵活性及开敞性的工作空间等特点，使其成为未来智能装备发展的重要趋势，且目前对机器人颤振抑制的研究不足，抑制效果有限且应用场景存在较大的局限性。
技术实现思路
针对上述技术背景中所指的现有技术存在的不足及需求，本专利技术提出一种双机器人协作弱刚性构件铣削刚度强化与颤振抑制方法，用于弱刚性构件的机器人变姿态支撑刚度强化与双机器人同步非线性加工颤振控制。本专利技术所采用的技术方案为：双机器人协作弱刚性构件铣削刚度强化与颤振抑制方法，采用的双机器人协作刚度强化与颤振抑制系统包括第一AGV全向移动平台和第二AGV全向移动平台，所述第一AGV全向移动平台上搭载有铣削加工机器人，所述铣削加工机器人末端设置有铣削加工电主轴，所述铣削加工电主轴和所述铣削加工机器人末端法兰盘间固定有加速度传感器；所述第二AGV全向移动平台上搭载有辅助支撑刚度强化机器人，所述辅助支撑刚度强化机器人末端设置有用于抓住弱刚性支架的支撑夹爪，所述支撑夹爪和所述辅助支撑刚度强化机器人末端法兰盘间固定有六维力传感器；双机器人协作刚度强化与颤振抑制方法包括如下步骤：步骤S1、所述辅助支撑刚度强化机器人夹持弱刚性支架完成在薄壁板件表面的固定，同时确定支架种类及安装姿态；步骤S2、通过有限元法，确定所有待加工弱刚性支架的重量、刚度及阻尼矩阵，将弱刚性支架固定在薄壁板件上后，考虑其为悬臂梁结构，并建立支架动力学模型；步骤S3、分析双机器人系统结构间的耦合关系，建立并分析交流永磁同步电机与传动机构物理模型，确定电磁参数与力学参数的耦合关系、电流谐波与传动系统的耦合关系、电机调速控制系统与伺服系统力学参数的耦合关系、伺服系统与负载系统的耦合关系；步骤S4、将双机器人系统分为机械子系统和电气子系统两部分，其中，机械子系统包括AGV全向移动平台，采用机电耦合方法，对双机器人系统进行动力学建模，得到双机器人机电耦合动力学模型；步骤S5、分析电机电流与电机转速的关联关系，根据双机器人系统结构间的耦合关系，确定双机器人机电耦合作用下的电机转速与机器人运动特性，同时分析不同姿态下的机械臂振动响应特性；步骤S6、根据步骤S4建立的辅助支撑刚度强化机器人动力学模型，分析其不同姿态下的刚性与稳定性，并考虑辅助支撑刚度强化机器人末端与弱刚性支架接触的支撑力对刚度的影响，建立辅助支撑刚度强化机器人姿态优化目标函数；步骤S7、结合步骤S2中建立的支架动力学模型，分析辅助支撑刚度强化机器人不同大小、方向与接触位置的支撑力对弱刚性支架刚性的影响，建立支撑力最优目标函数，并做加工颤振分析，结合机器人机电耦合动力学模型进行支撑姿态与支撑力的同时优化；步骤S8、基于AGV全向移动平台的冗余自由度，根据步骤S6和S7确定当前弱刚性支架的辅助支撑刚度强化机器人支撑姿态，支撑力的大小、方向和作用点，对支架铣削加工进行机器人辅助刚性支撑，并在确定辅助支撑刚度强化机器人姿态后通过AGV四脚支撑提高整体稳定性；步骤S9、在铣削加工过程中，采用所述六维力传感器对所述辅助支撑刚度强化机器人受到铣削力造成的颤振进行监测并反馈，同时对所述六维力传感器信息进行滤波处理；步骤S10、将滤波后所述六维力传感器采集的力数据消除支撑力及重力的影响，得到由于铣削加工力产生的辅助支撑刚度强化机器人末端响应，结合机电耦合动力学模型，求解出末端颤振；步骤S11、根据步骤S10中得到的末端颤振，结合关节扭矩与辅助支撑刚度强化机器人负载关联关系，对末端颤振进行解耦，求解出各轴关节处对应的期望力矩；步骤S12、所述辅助支撑刚度强化机器人在支撑过程中全程保持不抱闸状态，根据期望关节力矩获得电机驱动电流，并且保持所述辅助支撑刚度强化机器人姿态不变的前提下，通过调整6个电机的耦合作用，抑制支架铣削加工产生的颤振；步骤S13、基于铣削机器人机电耦合动力学模型，优化铣削加工姿态，并在铣削过程中，通过四脚支撑将AGV全向移动平台固定，提高铣削加工稳定性，同时根据所述加速度传感器采集的数据进行颤振响应分析，在铣削加工轨迹的基础上，结合前馈控制，将由铣削加工力产生的末端颤振进行补偿；步骤S14、在步骤S13前馈控制的基础上，将末端加工颤振进行解耦，获得各关节轴的扭矩，与步骤S12中一样，通过控制6个轴的电机电流，调整电机输出扭矩，但此过程不发生铣削轨迹的改变，仅通过电机内部电流变化抑制末端加工颤振；步骤S15、通过步骤S12至步骤S14的耦合作用，实现对弱刚性构件铣削的颤振抑制；当对新规格弱刚性支架进行铣削加工时，根据弱刚性支架的不同规格及安装位姿，重复步骤S6至步骤S15本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.双机器人协作弱刚性构件铣削刚度强化与颤振抑制方法，其特征在于，采用的双机器人协作刚度强化与颤振抑制系统包括第一AGV全向移动平台(1)和第二AGV全向移动平台(5)，第一AGV全向移动平台(1)上搭载有铣削加工机器人(2)，铣削加工机器人(2)末端设置有铣削加工电主轴(4)，铣削加工电主轴(4)和铣削加工机器人(2)末端法兰盘间固定有加速度传感器(3)；第二AGV全向移动平台(5)上搭载有辅助支撑刚度强化机器人(6)，辅助支撑刚度强化机器人(6)末端设置有用于抓住弱刚性支架(9)的支撑夹爪(8)，支撑夹爪(8)和辅助支撑刚度强化机器人(6)末端法兰盘间固定有六维力传感器(7)；/n双机器人协作刚度强化与颤振抑制方法包括如下步骤：/n步骤S1、辅助支撑刚度强化机器人(6)夹持弱刚性支架(9)完成在薄壁板件表面的固定，同时确定支架种类及安装姿态；/n步骤S2、通过有限元法，确定所有待加工弱刚性支架(9)的重量、刚度及阻尼矩阵，将弱刚性支架(9)固定在薄壁板件上后，考虑其为悬臂梁结构，并建立支架动力学模型；/n步骤S3、分析双机器人系统结构间的耦合关系，建立并分析交流永磁同步电机与传动机构物理模型，确定电磁参数与力学参数的耦合关系、电流谐波与传动系统的耦合关系、电机调速控制系统与伺服系统力学参数的耦合关系、伺服系统与负载系统的耦合关系；/n步骤S4、将双机器人系统分为机械子系统和电气子系统两部分，其中，机械子系统包括AGV全向移动平台，采用机电耦合方法，对双机器人系统进行动力学建模，得到双机器人机电耦合动力学模型；/n步骤S5、分析电机电流与电机转速的关联关系，根据双机器人系统结构间的耦合关系，确定双机器人机电耦合作用下的电机转速与机器人运动特性，同时分析不同姿态下的机械臂振动响应特性；/n步骤S6、根据步骤S4建立的辅助支撑刚度强化机器人动力学模型，分析其不同姿态下的刚性与稳定性，并考虑辅助支撑刚度强化机器人末端与弱刚性支架(9)接触的支撑力对刚度的影响，建立辅助支撑刚度强化机器人姿态优化目标函数；/n步骤S7、结合步骤S2中建立的支架动力学模型，分析辅助支撑刚度强化机器人不同大小、方向与接触位置的支撑力对弱刚性支架(9)刚性的影响，建立支撑力最优目标函数，并做加工颤振分析，结合机器人机电耦合动力学模型进行支撑姿态与支撑力的同时优化；/n步骤S8、基于AGV全向移动平台的冗余自由度，根据步骤S6和S7确定当前弱刚性支架(9)的辅助支撑刚度强化机器人支撑姿态，支撑力的大小、方向和作用点，对支架铣削加工进行机器人辅助刚性支撑，并在确定辅助支撑刚度强化机器人姿态后通过AGV四脚支撑提高整体稳定性；/n步骤S9、在铣削加工过程中，采用六维力传感器(7)对辅助支撑刚度强化机器人(6)受到铣削力造成的颤振进行监测并反馈，同时对六维力传感器(7)信息进行滤波处理；/n步骤S10、将滤波后六维力传感器(7)采集的力数据消除支撑力及重力的影响，得到由于铣削加工力产生的辅助支撑刚度强化机器人末端响应，结合机电耦合动力学模型，求解出末端颤振；/n步骤S11、根据步骤S10中得到的末端颤振，结合关节扭矩与辅助支撑刚度强化机器人负载关联关系，对末端颤振进行解耦，求解出各轴关节处对应的期望力矩；/n步骤S12、辅助支撑刚度强化机器人(6)在支撑过程中全程保持不抱闸状态，根据期望关节力矩获得电机驱动电流，并且保持辅助支撑刚度强化机器人(6)姿态不变的前提下，通过调整6个电机的耦合作用，抑制支架铣削加工产生的颤振；/n步骤S13、基于铣削机器人机电耦合动力学模型，优化铣削加工姿态，并在铣削过程中，通过四脚支撑将AGV全向移动平台固定，提高铣削加工稳定性，同时根据加速度传感器(3)采集的数据进行颤振响应分析，在铣削加工轨迹的基础上，结合前馈控制，将由铣削加工力产生的末端颤振进行补偿；/n步骤S14、在步骤S13前馈控制的基础上，将末端加工颤振进行解耦，获得各关节轴的扭矩，与步骤S12中一样，通过控制6个轴的电机电流，调整电机输出扭矩，但此过程不发生铣削轨迹的改变，仅通过电机内部电流变化抑制末端加工颤振；/n步骤S15、通过步骤S12至步骤S14的耦合作用，实现对弱刚性构件铣削的颤振抑制；当对新规格弱刚性支架(9)进行铣削加工时，根据弱刚性支架(9)的不同规格及安装位姿，重复步骤S6至步骤S15，实现双机器人协作弱刚性构件铣削的刚度强化与颤振抑制。/n...

【技术特征摘要】
1.双机器人协作弱刚性构件铣削刚度强化与颤振抑制方法，其特征在于，采用的双机器人协作刚度强化与颤振抑制系统包括第一AGV全向移动平台(1)和第二AGV全向移动平台(5)，第一AGV全向移动平台(1)上搭载有铣削加工机器人(2)，铣削加工机器人(2)末端设置有铣削加工电主轴(4)，铣削加工电主轴(4)和铣削加工机器人(2)末端法兰盘间固定有加速度传感器(3)；第二AGV全向移动平台(5)上搭载有辅助支撑刚度强化机器人(6)，辅助支撑刚度强化机器人(6)末端设置有用于抓住弱刚性支架(9)的支撑夹爪(8)，支撑夹爪(8)和辅助支撑刚度强化机器人(6)末端法兰盘间固定有六维力传感器(7)；
双机器人协作刚度强化与颤振抑制方法包括如下步骤：
步骤S1、辅助支撑刚度强化机器人(6)夹持弱刚性支架(9)完成在薄壁板件表面的固定，同时确定支架种类及安装姿态；
步骤S2、通过有限元法，确定所有待加工弱刚性支架(9)的重量、刚度及阻尼矩阵，将弱刚性支架(9)固定在薄壁板件上后，考虑其为悬臂梁结构，并建立支架动力学模型；
步骤S3、分析双机器人系统结构间的耦合关系，建立并分析交流永磁同步电机与传动机构物理模型，确定电磁参数与力学参数的耦合关系、电流谐波与传动系统的耦合关系、电机调速控制系统与伺服系统力学参数的耦合关系、伺服系统与负载系统的耦合关系；
步骤S4、将双机器人系统分为机械子系统和电气子系统两部分，其中，机械子系统包括AGV全向移动平台，采用机电耦合方法，对双机器人系统进行动力学建模，得到双机器人机电耦合动力学模型；
步骤S5、分析电机电流与电机转速的关联关系，根据双机器人系统结构间的耦合关系，确定双机器人机电耦合作用下的电机转速与机器人运动特性，同时分析不同姿态下的机械臂振动响应特性；
步骤S6、根据步骤S4建立的辅助支撑刚度强化机器人动力学模型，分析其不同姿态下的刚性与稳定性，并考虑辅助支撑刚度强化机器人末端与弱刚性支架(9)接触的支撑力对刚度的影响，建立辅助支撑刚度强化机器人姿态优化目标函数；
步骤S7、结合步骤S2中建立的支架动力学模型，分析辅助支撑刚度强化机器人不同大小、方向与接触位置的支撑力对弱刚性支架(9)刚性的影响，建立支撑力最优目标函数，并做加工颤振分析，结合机器人机电耦合动力学模型进行支撑姿态与支撑力的同时优化；
步骤S8、基于AGV全向移动平台的冗余自由度，根据步骤S6和S7确定当前弱刚性支架(9)的辅助支撑刚度强化机器人支撑姿态，支撑力的大小、方向和作用点，对支架铣削加工进行机器人辅助刚性支撑，并在确定辅助支撑刚度强化机器人姿态后通过AGV四脚支撑提高整体稳定性；
步骤S9、在铣削加工过程中，采用六维力传感器(7)对辅助支撑刚度强化机器人(6)受到铣削力造成的颤振进行监测并反馈，同时对六维力传感器(7)信息进行滤波处理；
步骤S10、将滤波后六维力传感器(7)采集的力数据消除支撑力及重力的影响，得到由于铣削加工力产生的辅助支撑刚度强化机器人末端响应，结合机电耦合动力学模型，求解出末端颤振；
步骤S11、根据步骤S10中得到的末端颤振，结合关节扭矩与辅助支撑刚度强化机器人负载关联关系，对末端颤振进行解耦，求解出各轴关节处对应的期望力矩；
步骤S12、辅助支撑刚度强化机器人(6)在支撑过程中全程保持不抱闸状态，根据期望关节力矩获得电机驱动电流，并且保...

【专利技术属性】
技术研发人员：田威，王品章，李波，廖文和，梁爽，崔光裕，李宇飞，
申请(专利权)人：南京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：江苏;32