【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于机械臂精密超精密加工领域，具体涉及一种基于机械臂的自由曲面抛光系统及曲率自适应抛光方法。
技术介绍
1、随着信息化技术及自动化技术的发展，曲面的加工过程越来越向着平稳高效的趋势发展，越来越多的新技术、新方法应用到曲面加工中。其中机械臂自由曲面抛光是获取高精度光学元件的重要途径，尤其是在电子信息、激光和航空航天等领域，都有着重要应用。
2、光学自由曲面的抛光去除系统是一个复杂的多输入多输出系统，目前针对该领域的材料去除模型以及自由曲面抛光补偿等研究或多或少存在精度低、操作繁琐、成本高等缺点。常规的小线段插补技术能够实现加工轨迹的几何连续性而被广泛应用在曲面加工中，然而没有很好的方法能够精确地得到针对自由曲面的最优解；此外，行业内应用机械臂进行自由曲面的抛光存在着精度差的难题。
技术实现思路
1、为了解决现有行业中机械臂加工高精度自由曲面元件精度差的问题，提供了一种基于机械臂的自由曲面抛光系统及曲率自适应抛光方法。本专利技术基于一种新型的材料抛光去除机理，提出了相应的自由曲面加工路径规划；开发一种基于六维力传感器的新型加工补偿方法，并设计了包括工装装调的相应硬件设备。摆脱了传统机床加工自由曲面元件成本高、体积大、限制多等难题，使自由曲面元件的抛光加工更加高效，提高了零件的生产精度，保证了产品的质量。
2、为实现上述目的，本专利技术采用如下技术方案来实现的：
3、一种基于机械臂的自由曲面抛光系统，包括六自由度机械臂、末端抛光工具头、六维力
4、其中末端抛光工具头由电机驱动，并固定在六自由度机械臂末端；六维力传感器安装在末端抛光工具头底部；工装夹具通过粘接或焊接的方式固定在工作台上，工作台位于机械臂的标称工作范围内。
5、本专利技术进一步的改进在于，由六自由度机械臂编程完成对于自由曲面的抛光路径运动，当工作台位于运动范围中间位置时整体系统处于最优工作状态，振动状态以及运动精度最好，同时基于六维力传感器实时反馈三维力和三维力矩的功能以及抛光头的力学性能，实现0.02mm重复定位精度。
6、本专利技术进一步的改进在于，六维力传感器的布置位置于抛光工具头的末端，用于采集抛光头法向抛光力，将六维力传感器采集得到的数据反馈机械臂的补偿运动，从而形成闭环控制，用于补偿抛光力的误差。
7、本专利技术进一步的改进在于，通过六维力传感器采集末端抛光力，根据抛光头力-位移压缩性能实时反馈至机械臂末端垂直于加工表面的位移控制，补偿机械臂压力控制的误差，从而补偿抛光压力对于抛光颗粒压痕以及实际接触面积的影响，即补偿下文中的压痕系数k2和k3，在压力小时，认为压痕系数随抛光压力线性变化。
8、本专利技术进一步的改进在于，工装夹具包括支撑底板和上部槽型夹具；支撑底板留有气吸孔，采用真空吸与粘结的方式固定工件，上部槽型夹具一面可调，一面固定。
9、本专利技术进一步的改进在于，支撑底板内部设置有滚珠丝杠，滚珠丝杠上螺纹连接有可移动挡板，通过滚珠丝杠的旋转运动能够完成可移动挡板的直线运动。
10、一种基于机械臂的曲率自适应抛光方法，该方法基于所述的一种基于机械臂的自由曲面抛光系统，包括以下步骤：
11、1)针对自由曲面的宏观轨迹规划与微观材料去除相结合的高精度表面抛光方法：包括多系数抛光去除机理和基于nurbs曲面曲率参数的机械臂自适应自由曲面抛光的轨迹规划；基于preston方程与机械臂几何运动模型，根据磨粒嵌入机理与粗糙材料接触机理，提出变系数抛光去除机理公式；基于nurbs曲面特征，提出针对机械臂抛光自由曲面的高效高精度变系数抛光轨迹规划，根据自由曲面的曲率变化规划自适应的加工轨迹间距；
12、2)机械臂抛光自由曲面的位姿控制方法：通过采用点云拟合曲面的方式进行自由曲面抛光的运动控制，基于六自由度机械臂运动学实现具体的抛光运动，包括点云位置运动与最优姿态控制，对于姿态控制提出采取抛光效率尽可能大的姿态与表面不干涉两个原则以提高精度和效率。
13、本专利技术进一步的改进在于，步骤1)中，具体实现方法如下：
14、101)提出抛光中机械臂相对于工件相对运动，根据机械臂与工件的相对运动速度计算磨粒与工件的相对运动速度；由于磨粒与机械臂之间同样存在相对运动，因此引入速度系数k1来表征抛光磨粒与机械臂的相对运动速度，即v2＝k1v1，其中v1为机械臂与工件的相对运动速度，v2为磨粒与工件的相对运动速度，并且0<k1<1，即抛光磨粒与工件的相对运动速度小于机械臂与工件的相对运动；
15、102)基于微观抛光磨粒嵌入机理与宏观粗糙材料的接触机理，提出preston材料去除方程；
16、其中，磨粒嵌入到工件的深度由机械臂的压力和材料的固有性质决定，且大小小于磨粒直径d，因此引入嵌入系数k2来表征机械臂的压力以及材料对于嵌入深度的影响，即磨粒嵌入深度为k2d，且0<k2<1，大小与机械臂的压力和材料性质有关，由参数实验获得；粗糙材料相互接触，实际接触面积会小于总面积，因此引入接触系数k3来表征粗糙表面的接触误差，即实际接触面积a＝k3a0，同样的，0<k3<1；另外，当压力小时，认为k2与k3随着压力的变化而线性变化；采用了六维力传感器来补偿机械臂的压力，系数k2和k3根据补偿后的压力线性变化；
17、其中，微观单个磨粒的去除率为：
18、
19、式中，δs为颗粒嵌入面积，单位mm2，δw为颗粒嵌入深度，单位mm；由于抛光头较为柔性，因此颗粒嵌入元件的深度δw远小于d，简化为：
20、因此宏观抛光材料去除率ρ为：
21、
22、式中，na为总的磨粒个数，与抛光液的浓度有关；
23、103)计算宏观抛光轨迹行距，通过控制残余高度来得到曲率自适应的行距；将被加工自由曲面拟合为nurbs曲面，曲面的有理分式为：
24、
25、式中，u，v为曲面上的参数变量；pij为曲面上的控制点；i，j表示网格数量；ωij是与控制顶点关联的权因子；p，q是权因子数量；ni，p(u)，nj，q(v)分别定义为节点矢量u，v上的非有理b样条基函数；
26、进一步的，已知自由曲面的nurbs曲面可以求得任意点的曲率数据；
27、将抛光工具头与元件接触部分看作椭圆，对抛光工具头抛光变曲率元件过程进行建模，对抛光工具头轮廓建立坐标系，两次抛光路径行距为k，则中间的残余高度为h，h表征加工后表面质量；
28、椭圆的公式为：
29、
30、式中a和b为椭圆参数，即抛光刀具的几何轮廓参数，不同的抛光工具头会有不同的轮廓参数公式；
31、提出行距计算隐式公式为：
32、
33、则对于平面，当k＝2x，y＝h；对于凸曲面，则k1＝k4*k，且k4<1；对于凹曲面，则k1本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种基于机械臂的自由曲面抛光系统，其特征在于，包括六自由度机械臂、末端抛光工具头、六维力传感器、工作台和工装夹具；
2.根据权利要求1所述的一种基于机械臂的自由曲面抛光系统，其特征在于，由六自由度机械臂编程完成对于自由曲面的抛光路径运动，当工作台位于运动范围中间位置时整体系统处于最优工作状态，振动状态以及运动精度最好，同时基于六维力传感器实时反馈三维力和三维力矩的功能以及抛光头的力学性能，实现0.02mm重复定位精度。
3.根据权利要求1所述的一种基于机械臂的自由曲面抛光系统，其特征在于，六维力传感器的布置位置于抛光工具头的末端，用于采集抛光头法向抛光力，将六维力传感器采集得到的数据反馈机械臂的补偿运动，从而形成闭环控制，用于补偿抛光力的误差。
4.根据权利要求3所述的一种基于机械臂的自由曲面抛光系统，其特征在于，通过六维力传感器采集末端抛光力，根据抛光头力-位移压缩性能实时反馈至机械臂末端垂直于加工表面的位移控制，补偿机械臂压力控制的误差，从而补偿抛光压力对于抛光颗粒压痕以及实际接触面积的影响，即补偿下文中的压痕系数k2和k3，在压力小时
5.根据权利要求1所述的一种基于机械臂的自由曲面抛光系统，其特征在于，工装夹具包括支撑底板和上部槽型夹具；支撑底板留有气吸孔，采用真空吸与粘结的方式固定工件，上部槽型夹具一面可调，一面固定。
6.根据权利要求5所述的一种基于机械臂的自由曲面抛光系统，其特征在于，支撑底板内部设置有滚珠丝杠，滚珠丝杠上螺纹连接有可移动挡板，通过滚珠丝杠的旋转运动能够完成可移动挡板的直线运动。
7.一种基于机械臂的曲率自适应抛光方法，其特征在于，该方法基于权利要求1至6中任一项所述的一种基于机械臂的自由曲面抛光系统，包括以下步骤：
8.根据权利要求7所述的一种基于机械臂的曲率自适应抛光方法，其特征在于，步骤1)中，具体实现方法如下：
9.根据权利要求7所述的一种基于机械臂的曲率自适应抛光方法，其特征在于，步骤2)中，具体实现方法如下：
10.根据权利要求9所述的一种基于机械臂的曲率自适应抛光方法，其特征在于，机械臂的末端工具坐标系原点设置为球形抛光头的球心，点云位置通过曲面法向与补偿过压缩量的抛光头半径来计算，从而得到曲面上某一点抛光时机械臂球形抛光头的球心坐标：
...【技术特征摘要】
1.一种基于机械臂的自由曲面抛光系统，其特征在于，包括六自由度机械臂、末端抛光工具头、六维力传感器、工作台和工装夹具；
2.根据权利要求1所述的一种基于机械臂的自由曲面抛光系统，其特征在于，由六自由度机械臂编程完成对于自由曲面的抛光路径运动，当工作台位于运动范围中间位置时整体系统处于最优工作状态，振动状态以及运动精度最好，同时基于六维力传感器实时反馈三维力和三维力矩的功能以及抛光头的力学性能，实现0.02mm重复定位精度。
3.根据权利要求1所述的一种基于机械臂的自由曲面抛光系统，其特征在于，六维力传感器的布置位置于抛光工具头的末端，用于采集抛光头法向抛光力，将六维力传感器采集得到的数据反馈机械臂的补偿运动，从而形成闭环控制，用于补偿抛光力的误差。
4.根据权利要求3所述的一种基于机械臂的自由曲面抛光系统，其特征在于，通过六维力传感器采集末端抛光力，根据抛光头力-位移压缩性能实时反馈至机械臂末端垂直于加工表面的位移控制，补偿机械臂压力控制的误差，从而补偿抛光压力对于抛光颗粒压痕以及实际接触面积的影响，即补偿下文中的压痕系数k2和k3，在压力小时，认为压痕系数随抛光压力线性变化。<...
【专利技术属性】
技术研发人员：孙林，丁建军，卢光超，李云飞，陈兆翔，李常胜，刘阳鹏，林启敬，孟庆之，仙丹，金雨生，
申请(专利权)人：西安交通大学，
类型：发明
国别省市：
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