一种基于能量最优机器人铣削加工进给方向优化方法技术

本发明专利技术属于铣削加工相关技术领域，并公开了一种基于能量最优机器人铣削加工进给方向优化方法。该方法包括下列步骤：S1对于待铣削工件，规划该待铣削工件在笛卡尔空间的加工轨迹；S2将待铣削工件的加工过程分为落刀阶段、铣削阶段和抬刀阶段，构建铣削机器人的动力学模型以及机器人坐标系下铣削力模型，以此求解并获得每个阶段对应的机器人关节力矩和关节速度；S3构建每个阶段能耗关系式并以此构建整个加工过程的总能耗优化模型，求解在能耗最小的情况下对应的进给方向，以此获得最优进给方向，进而实现能量最优情况下进给方向的优化。通过本发明专利技术，减少能耗，降低加工成本，同时可以减少关节冲击，提高铣削质量和延长机器人寿命。

【技术实现步骤摘要】
一种基于能量最优机器人铣削加工进给方向优化方法
本专利技术属于铣削加工相关
，更具体地，涉及一种基于能量最优机器人铣削加工进给方向优化方法。
技术介绍
随着工业自动化水平的提高，制造业正在变得越来越自动化、智能化。在制造业自动化、智能化进程中工业机器人发挥着重要的作用。机器人已经开始广泛地应用于各类产品的加工当中，尤其是对大型、复杂的产品加工具有更大的优势。机器人铣削加工开始应用于生产制造，包括机器人铣削、机器人打磨等，由于机器人的关节刚度较低，因此加工轨迹对机器人加工质量的影响比对机床的影响更大。伴随着工业机器人的广泛应用和市场的扩大，在自动化、智能化生产过程中工业机器人消耗了大部分能源，能量的消耗也是生产过程中需要重点考虑的问题，因为较少的能量消耗代表减少了成本，增加了效益，同时有利于节能减排，保护环境。在某些对能耗有特殊要求的场景中，例如太空或潜水机器人，进行能量优化就显得尤其重要。此外，能量最优性能与冲击性能是正相关的，对能量进行优化能够减少电机和执行器的冲击，延长机器人寿命，并且减少关节冲击可以提高机器人铣削加工质量。在中国专利公开说明书，申请号：CN111037069A提出来一种基于焊枪自转角机器人能量优化方法，该专利是通过少量试验得出功率消耗最小的焊接起点和终点焊枪自转角组合，主要是针对焊接机器人的轨迹进行能量优化，并未涉及铣削机器人铣削轨迹的能量优化。机器人铣削能量不仅包括机器人本体的能量消耗还需要考虑复杂的铣削过程中的能量消耗，与焊接机器人轨迹规划的能量优化有较大的不同。对于机器人铣削作业能耗优化的研究却比较少，实际加工中机器人进行行切时进给方向一般随意给定进给方向。
技术实现思路
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本专利技术提供了一种基于能量最优机器人铣削加工进给方向优化方法，建立机器人铣削能量模型，根据能量最小对机器人铣削加工进给方向进行优化，从该进给方向进行铣削加工能够减少能耗，降低加工成本，同时可以减少关节冲击，提高铣削质量和延长机器人寿命。为实现上述目的，按照本专利技术，提供了一种基于能量最优机器人铣削加工进给方向优化方法，该方法包括下列步骤：S1对于待铣削工件，设定与该待铣削工件相应的切削参数，根据设定的切削参数规划该待铣削工件在笛卡尔空间的加工轨迹；S2将待铣削工件的加工过程分为落刀阶段、铣削阶段和抬刀阶段，构建铣削机器人的动力学模型以及机器人坐标系下铣削力模型，以此求解并获得每个阶段对应的机器人关节力矩和关节速度；S3利用每个阶段对应的机器人关节力矩和速度，构建每个阶段能耗关系式并以此构建整个加工过程的总能耗优化模型，求解在能耗最小的情况下对应的进给方向，以此获得最优进给方向，进而实现能量最优情况下进给方向的优化。进一步优选地，在步骤S3中，所述总能耗优化模型的建立是基于以下假设条件：(a)假设铣削过程是连续的，没有铣削中断；(b)假设关节间的摩擦力忽略不计。进一步优选地，在步骤S3中，所述总能耗优化模型按照下列关系式进行：minE＝Ed+Em+El约束条件：ql,min＜ql＜ql,max|τl|＜|τl,max|α∈[0，180°]S(t)∈Srobot其中，E为整个铣削过程中总能耗，Ed为落刀过程中的能耗，Em为铣削过程中的能耗，El为抬刀过程中的能耗，ql为第l个关节的关节角，ql,min,ql,max分别为第l个关节的关节角范围最大值和最小值，分别为第l个关节的关节角速度和关节角速度最大值，分别为第l个关节的关节角加速度和角角速度最大值，τl,τl,max分别为第l个关节的关节力矩和关节最大力矩，α为行切进给方向，其范围为0到180°，S(t)为刀具末端坐标，Srobot为机器人工作空间。进一步优选地，在步骤S2中，所述动力学模型按照下列关系式进行：其中，τ'i(t)为关节i在t时刻关节驱动力矩，i＝1,2,…,n，…j＝1,2,…,n，k＝1,2,…,n，m＝1,2,…,n对于6轴工业机器人，n＝6,bij(q)为关节i的惯性项系数，hijk(q)为关节i的离心力项系数，gi(q)为关节i重力项，q为关节角度矩阵，为关节j在t时刻关节角加速度，分别是关节k和m在t时刻关节角速度。进一步优选地，在步骤S2中，所述铣削力模型按照下列关系式进行：τ”＝EJTF其中，τ”为提供铣削力关节力矩，EJ为机器人末端坐标系ECS下的速度雅克比矩阵，F为在机器人末端坐标系ECS下的六维力和力矩。进一步优选地，在步骤S3中，所述每个阶段的能耗按照下列关系式计算：落刀阶段的能耗按照下列关系式进行：铣削阶段的能耗按照下列关系式进行：落刀阶段的能耗按照下列关系式进行：其中，Nd,Nm,Nl分别是落刀时间、铣削时间、抬刀时间离散的时间段数，L是机器人关节总数，τ'l(n)为第n个时刻关节l关节驱动力矩，τ”l(n)为第n个时刻关节l提供铣削力关节力矩，为第n个时刻关节l的角速度，n是离散时间段数，Δt是离散时间间隔。进一步优选地，在步骤S2中，所述每个阶段对应的机器人关节力矩按照下列关系式进行：铣削阶段的关节力矩按照下列关系式进行：τ＝τ′+τ″落刀阶段和抬刀阶段的关节力矩计算关系式相同，按照下列关系式进行：τ＝τ′其中，τ'为关节驱动力矩，τ”为提供铣削力关节力矩。进一步优选地，在步骤S2中，在构建铣削机器人的动力学模型时，首先还需将所述笛卡尔空间的加工轨迹通过机器人逆运动学转化为机器人坐标系下的关节空间轨迹，然后对该关节空间轨迹进行B样条曲线插值，使得该关节空间轨迹光滑。进一步优选地，在步骤S2中，所述每个阶段对应的机器人关节速度按照下列方式获得：B样条插值后可以获得光滑的关节空间轨迹，即t时刻对应关节角度值，机器人关节轨迹为q(t)＝(q1(t),q2(t),q3(t),q4(t),q5(t),q6(t))，关节速度为关节轨迹的一阶导数，即关节速度为进一步优选地，在步骤S3中，所述根据该总能耗优化模型求解在能耗最小的情况下对应的进给方向，采用遗传算法进行求解。总体而言，通过本专利技术所构思的以上技术方案与现有技术相比，具备下列效果：1.本专利技术构建了机器人铣削能量模型，相比于现有技术中采用其他的方式确定进给方向，本专利技术中将铣削过程划分为三个阶段，抬刀阶段、落刀阶段和铣削阶段，抬刀和落刀阶段是机器人驱动关节产生的能耗，铣削阶段是铣削过程中机器人驱动关节和提供铣削力所产生的能耗，即整体综合考虑了在机器人铣削过程中机器人驱动关节和提供铣削力所带来的能量消耗，能够准确地描述和计算机器人铣削能量消耗；2.本专利技术提出的基于能量最优机器人铣削进给方向优化方法，拓宽了机器人铣削轨迹优化思路，在除时间最优外考虑能量最优，以能量最优的进给方向进行铣削加工，不仅可以节省能量，还本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于能量最优机器人铣削加工进给方向优化方法，其特征在于，该方法包括下列步骤：/nS1对于待铣削工件，设定与该待铣削工件相应的切削参数，根据设定的切削参数规划该待铣削工件在笛卡尔空间的行切加工轨迹；/nS2将待铣削工件的加工过程分为落刀阶段、铣削阶段和抬刀阶段，构建铣削机器人的动力学模型以及机器人坐标系下铣削力模型，以此求解并获得每个阶段对应的机器人关节力矩和关节速度；/nS3利用每个阶段对应的机器人关节力矩和速度，构建每个阶段能耗关系式并以此构建整个加工过程的总能耗优化模型，求解在能耗最小的情况下对应的进给方向，以此获得最优进给方向，进而实现能量最优情况下进给方向的优化。/n

【技术特征摘要】
1.一种基于能量最优机器人铣削加工进给方向优化方法，其特征在于，该方法包括下列步骤：
S1对于待铣削工件，设定与该待铣削工件相应的切削参数，根据设定的切削参数规划该待铣削工件在笛卡尔空间的行切加工轨迹；
S2将待铣削工件的加工过程分为落刀阶段、铣削阶段和抬刀阶段，构建铣削机器人的动力学模型以及机器人坐标系下铣削力模型，以此求解并获得每个阶段对应的机器人关节力矩和关节速度；
S3利用每个阶段对应的机器人关节力矩和速度，构建每个阶段能耗关系式并以此构建整个加工过程的总能耗优化模型，求解在能耗最小的情况下对应的进给方向，以此获得最优进给方向，进而实现能量最优情况下进给方向的优化。


2.如权利要求1所述的一种基于能量最优机器人铣削加工进给方向优化方法，其特征在于，在步骤S3中，所述总能耗优化模型的建立是基于以下假设条件：
(a)假设铣削过程是连续的，没有中断；
(b)假设关节间的摩擦力忽略不计。


3.如权利要求1或2所述的一种基于能量最优机器人铣削加工进给方向优化方法，其特征在于，在步骤S3中，所述总能耗优化模型按照下列关系式进行：
minE＝Ed+Em+El
约束条件：
ql,min＜ql＜ql,max






|τl|＜τl,max|
α∈[0，180°]
S(t)∈Srobot
其中，E为整个铣削过程中总能耗，Ed为落刀过程中的能耗，Em为铣削过程中的能耗，El为抬刀过程中的能耗，ql为第l个关节的关节角，ql,min,ql,max分别为第l个关节的关节角范围最大值和最小值，分别为第l个关节的关节角速度和关节角速度最大值，分别为第l个关节的关节角加速度和角角速度最大值，τl,τl,max分别为第l个关节的关节力矩和关节最大力矩，α为行切进给方向，其范围为0到180°，S(t)为刀具末端坐标，Srobot为机器人工作空间。


4.如权利要求1或2所述的一种基于能量最优机器人铣削加工进给方向优化方法，其特征在于，在步骤S2中，所述动力学模型按照下列关系式进行：



其中，τ'i(t)为关节i在t时刻关节驱动力矩，i＝1,2,…,n，…j＝1,2,…,n，k＝1,2,…,n，m＝1,2,…,n对于6轴工业机器人，n＝6,bij(q)为关节i的惯性项系数，hijk(q)为关节i的离心力项系数，gi(q)为关节i重力项，q为关节角度矩阵，为关节j在t时刻关节角加速度，分别是关节k和m在t时刻关节角速度。...

【专利技术属性】
技术研发人员：彭芳瑜，肖名君，陈晨，闫蓉，唐小卫，胡华洲，
申请(专利权)人：华中科技大学，
类型：发明
国别省市：湖北;42