一种基于机器人铣削加工的回转型加工台冗余优化方法技术

本发明专利技术提供了一种基于机器人铣削加工的回转型加工台冗余优化方法包括以下步骤：建立工业机器人笛卡尔空间的柔度模型；基于机器人的柔度表征模型的基础上完成机器人综合刚度指标的建立，并以此评价指标来对初始加工位置进行姿态优化；根据选定的机器人加工方向，利用回转型加工台配合机器人完成旋转加工运动。本发明专利技术改善了固定加工台单向加工造成轮廓误差比较大、有明显的接刀痕迹等问题，通过对回转型加工台单自由度的冗余优化，实现复杂加工任务的机器人作业姿态的综合刚度性能优化与加工效率的提升，为机器人铣削表面质量与精度的提升提供了技术支撑。的提升提供了技术支撑。的提升提供了技术支撑。

【技术实现步骤摘要】
一种基于机器人铣削加工的回转型加工台冗余优化方法


[0001]本专利技术属于铣削加工机器人冗余优化领域，具体涉及一种基于机器人铣削加工的回转型加工台冗余优化方法。

技术介绍

[0002]工业机器人具有自由度高、柔性高和工作范围大等特点。通过使用机器人的冗余度为优化指标，综合考虑加工表面的轮廓误差和质量，并使用回转型工作台配合工业机器人进行相对运动，对机器人进行姿态优化，可提高机器人的加工性能。加工台冗余优化技术具有操作性高、无需改变系统的控制结构、提高加工质量和效率等优点，在制造工程应用中有着较高的应用价值，成为机器人冗余优化与加工性能和效率提升的研究热点。
[0003]机器人冗余度对铣削加工有着较为直接的影响，现有技术中一般通过优化机器人冗余度提高机器人的加工质量和效率，但是存在以下不足：
[0004](1)机器人在加工或者换完刀后，因无法借助专业仪器调平而无法保证机器人的电主轴完全垂直于加工表面，机器人主轴线会略偏于加工面的法线，机器人在多方向加工中会出现正纹、逆纹和渔网纹，导致加工表面质量差，有明显的接刀痕迹。
[0005](2)机器人在铣削加工作业过程中，固定加工台会使得机器人加工系统失去一个自由度，但合理地利用回转型加工台配合机器人相对运动可以有效减少机器人的不良姿态、提高机器人的加工效率、缩短零件加工周期。

技术实现思路

[0006]本专利技术对机器人加工中冗余优化的不足，提供一种基于机器人铣削加工的回转型加工台冗余优化方法，能有效地提高机器人加工表面质量和加工效率。
[0007]本专利技术的上述目的主要是通过以下技术方案得以解决的：
[0008]一种基于机器人铣削加工的回转型加工台冗余优化方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
[0009]步骤1：建立工业机器人笛卡尔空间的柔度模型；
[0010]步骤2：根据加工任务类型确定多轴机器人初始加工的特征点位，通过工业机器人加工系统绕刀具轴向旋转的冗余自由度，以绕刀轴冗余角γ值为优化指标，使得力线夹角最小且整体刚度系数达到最大为优化目标完成初始加工点位的姿态优化；
[0011]步骤3：根据工业机器人在不同场景加工的刀纹判断刀倾方向和最优进给方向，根据工业机器人加工工件的路径方向，调整加工台的旋转方向来配合工业机器人。
[0012]步骤4：机器人完成加工任务后，回转型加工台配合机器人移动到下一个加工点位。
[0013]进一步地，所述建立工业机器人笛卡尔空间的柔度模型包括以下步骤：
[0014]通过转换公式建立机器人柔度表征模型，所述转换公式为：
[0015][0016]其中C表示笛卡尔空间柔度矩阵，J为机器人当前姿态所对应的雅可比矩阵，K
θ
表示关节刚度矩阵。
[0017]进一步地，所述加工任务类型评估工业机器人末端综合刚度性能具体包括以下步骤：
[0018]柔度矩阵C是一个6
×
6矩阵，以柔度矩阵元素的不同量纲为标准，把柔度矩阵C分解成四个子矩阵，即：
[0019][0020]C
fd
为位移柔度矩阵，单位(mm/N)；C
mδ
为旋转柔度矩阵，单位(rad/N
·
mm)；C
fδ
为耦合柔度矩阵，单位(rad/N)；C
md
为耦合柔度矩阵C
fδ
的转置，单位(N
‑1)；
[0021]位移柔度矩阵柔度矩阵C
fd
的映射在三维空间里为一个椭球体，该椭球称为机器人的柔度椭球；柔度椭球的轴长越短，说明此方向上的刚度越大；用柔度椭球最短矢量与加工方向之间的夹角定义为力线夹角公式如下：
[0022][0023]r
min
为柔度椭球最短矢量，x为加工方向单位向量；
[0024]椭球的主轴长度等于矩阵特征值的平方根λ1、λ2、λ3，且λ1＞λ2＞λ3＞0；将柔度椭球的体积作为机器人整体刚度性能指标系数：
[0025][0026]进一步地，所述工业机器人基于作业任务内容确定工业机器人加工工件的路径方向后，调整加工台的旋转方向来配合工业机器人，并对机器人主轴进行旋转量补偿，回转型加工台配合机器人运动的姿态优化具体包括以下步骤：
[0027]在整个机器人加工系统中，建立回转加工台坐标系O
a
、电主轴坐标系O
c
以及机器人基座标系O0，机器人底座面和加工台平面与地面保持水平；加工台坐标系下加工点位坐标是一个矢量(X，Y，Z，I，J，K)，O
c
＝(X，Y，Z)描述电主轴坐标系原点O
c
相对于加工台坐标系下的位置，l＝(I，J，K)描述电主轴坐标系Z
c
轴的方向；针对平面铣削加工，所有刀位点均取l＝(0，0，1)；
[0028]对机器人初始刀位点进行姿态优化，初始姿态刚度优化后冗余角为γ值，通过实际加工实验零件表面的刀纹判断，机器人最好的进给方向是加工台初始坐标系的X
a
轴；
[0029]将作业加工路径向X
a
轴映射，形成一条长度为L的直线，将这条直线用N+1个点(P1，P2…
P
x
…
P
N+1
)均分为N等份，根据综合刚度性能指标系数对这N+1个点进行姿态优化；在加工时，当瞬时加工点P
瞬
在X
a
轴的映射点位于(P
x
‑
L/2N，P
x
+L/2N)范围内时，在P
x
点优化后的姿态冗余度C
x
可作为当前姿态的最优冗余度，即：
[0030]C
瞬1
＝C
x
(P
瞬
∈(P
x
‑
L/2N，P
x
+L/2N))
[0031]C
瞬1
是瞬时加工点刚度最优的冗余自由度；
[0032]机器人作业任务是加工具有复杂轮廓的平面，机器人以刚度综合性能最好的姿态抵达初始刀位点，配合加工台进行铣削加工；机器人的电主轴沿加工台初始坐标系的X
a
轴移动，回转工作台绕Z
a
轴进行逆时针旋转来配合机器人进行加工；机器人电主轴坐标系c垂直映射在工作台坐标系a中的X
a
‑
O
a
‑
Y
a
平面上，坐标系b为坐标系c映射在加工面的新坐标系，A点为此时坐标系b的原点O
b
在坐标系a中的表示，直线AO
a
与其在A点的切线之间的夹角为β；沿坐标系b的X
b
作延长线，该延长线与AO
a
之间的夹角为α，α与β之间的关系如公式所示：
[0033][0034]α为电主轴在冗余角γ值的基础上继续本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于机器人铣削加工的回转型加工台冗余优化方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：步骤1：建立工业机器人笛卡尔空间的柔度模型；步骤2：根据加工任务类型确定多轴机器人初始加工的特征点位，通过工业机器人加工系统绕刀具轴向旋转的冗余自由度，以绕刀轴冗余角γ值为优化指标，使得力线夹角最小且整体刚度系数C
a
达到最大为优化目标完成初始加工点位的姿态优化；步骤3：根据工业机器人在不同场景加工的刀纹判断刀倾方向和最优进给方向，根据工业机器人加工工件的路径方向，调整加工台的旋转方向来配合工业机器人；步骤4：机器人完成加工任务后，回转型加工台配合机器人移动到下一个加工点位。2.根据权利要求1所述的工业机器人加工姿态优化方法，其特征在于，所述建立工业机器人笛卡尔空间的柔度模型包括以下步骤：通过转换公式建立机器人柔度表征模型，所述转换公式为：其中C表示笛卡尔空间柔度矩阵，J为机器人当前姿态所对应的雅可比矩阵，K
θ
表示关节刚度矩阵。3.根据权利要求1所述的工业机器人加工姿态优化，其特征在于，所述加工任务类型评估工业机器人末端综合刚度性能具体包括以下步骤：柔度矩阵C是一个6
×
6矩阵，以柔度矩阵元素的不同量纲为标准，把柔度矩阵C分解成四个子矩阵，即：C
fd
为位移柔度矩阵，单位(mm/N)；C
mδ
为旋转柔度矩阵，单位(rad/N
·
mm)；C
fδ
为耦合柔度矩阵，单位(rad/N)；C
md
为耦合柔度矩阵C
fδ
的转置，单位(N
‑1)；位移柔度矩阵C
fd
的映射在三维空间里为一个椭球体，该椭球称为机器人的柔度椭球；柔度椭球的轴长越短，说明此方向上的刚度越大；用柔度椭球最短矢量与加工方向之间的夹角定义为力线夹角公式如下：r
min
为柔度椭球最短矢量，x为加工方向单位向量；椭球的主轴长度等于矩阵特征值的平方根λ1、λ2、λ3，且λ1>λ2>λ3>0；将柔度椭球的体积作为机器人整体刚度性能指标系数：4.根据权利要求1所述的回转型加工台冗余优化方法，其特征在于，所述工业机器人基于作业任务内容确定工业机器人加工工件的路径方向后，调整加工台的旋转方向来配合工业机器人，并对机器人主轴进行旋转量补偿，回转型加工台配合机器人运动的姿态优化具
体包括以下步骤：在整个机器人加工系统中，建立回转加工台坐标系O
a
、电主轴坐标系O
c
以及机器人基座标系O0，机器人底座面和加工台平面与地面保持水平；加工台坐标系下加工点位坐标是一个矢量(X,Y,Z,I,J,K)，O
c
＝(X,Y,Z)描述电主轴坐标系原点O
c
相对于加工台坐标系下的位置，l＝(I,J,K)描述电主轴坐标系Z

【专利技术属性】
技术研发人员：周勇，张斌，胡楷雄，李卫东，赵佳伟，
申请(专利权)人：武汉理工大学，
类型：发明
国别省市：