針對解決形變問題的機器人磨削系統及其軌跡規劃方法與流程

本發明屬于機器人加工應用技術領域，涉及一種工業機器人磨削加工軌跡優化技術，具體涉及一種基于直角坐標機器人磨削裝置、磨削形變計算、速度約束以及插補點規劃方法。

背景技術：

作為機械加工的主要手段之一，磨削加工在制造業中受到廣泛應用。目前機器人磨削加工實現方法主要包括兩種：進行大量的磨削實驗，利用回歸分析求取特定材料的機器人磨削模型；對機器人末端進行力控制，在保證機器人末端與工件接觸的情況下，控制磨削工具的位置以及工具和工件之間的接觸力。

1)通過回歸分析求取機器人磨削模型的方法，該方法的實現需要大量的實驗數據，且該方法求取的磨削模型只能針對指定的材料，無法應用到其他材料上，缺乏通用性。

2)對機器人末端進行接觸力控制的方法，該方法主要可分為帶傳感器和不帶傳感器兩種。不帶傳感器的力控制方法主要是依靠對機器人電機數據進行讀取，通過電機數據對機器人末端位置進行判斷。這種方法成本低，但未考慮機器人本身形變以及工件裝配誤差等問題，加工精度低；帶傳感器的力控制方法主要是依靠傳感器的數據反饋判斷機器人末端的力位情況，實現實時的力位控制。這種沒有考慮到機器人磨削角度和進給速度差異對系統形變的影響。

技術實現要素：

為實現工業機器人在磨削加工的普及，本發明提供一種針對解決形變問題的機器人磨削系統及軌跡規劃方法，該方法根據機器人磨削系統結構和受力情況，評估機器人系統形變，并根據精度要求推導出基于磨削形變的磨削進給速度約束公式，最終優化曲面磨削的加工軌跡，解決了現有工業機器人在磨削加工技術存在的上述問題。

本發明所采用的技術方案是，一種解決形變問題的機器人磨削系統，該系統為直角坐標機器人磨削系統，直角坐標機器人磨削系統包括工作臺架、三軸直角坐標機器人的導向單元、驅動單元，六維力傳感器測量單元、磨削刀具、曲面工件，所述直角坐標機器人磨削系統還包括安裝曲面工件的兩軸旋轉工作平臺以及形變計算模塊和插補點優化模塊；所述導向單元設置在工作臺架上并受驅動單元的驅動，六維力傳感器測量單元、磨削刀具依次安裝在三軸直角坐標機器人導向單元的末端；

所述直角坐標機器人磨削系統通過驅動旋轉工作平臺A軸旋轉工作平臺和B軸旋轉平臺，調整機器人磨削切入角度和姿態；其中，A軸旋轉平臺驅動伺服電機、聯軸器、同步輪，帶動旋轉盤和八角板上的曲面工件轉動，改變工件相對刀具在X-Z平面上的角度；B軸旋轉平臺則通過驅動伺服電機、齒輪箱帶動旋轉盤進行轉動；帶動A軸旋轉工作平臺上的曲面工件轉動，改變工件角度；所述曲面工件磨削受力情況通過磨削刀具末端安裝的六維傳感器測量單元實時測量。

本發明還公開了一種針對解決形變問題的機器人磨削系統的軌跡規劃方法，該方法通過所述形變計算模塊和插補點優化模塊來調整，所述的形變計算模塊：根據三軸直角坐標機器人及兩軸旋轉平臺結構，建立機器人磨削系統剛度矩陣；驅動機器人帶動力傳感器和磨削刀具以規劃進給速度和角度切入目標深度對工件進行磨削，根據不同角度、進給速度下力傳感器收集末端受力情況，結合系統剛度矩陣計算出機器人系統磨削形變；

所述的插補點優化模塊：根據進給速度、磨削夾角與磨削形變之間的關系，建立速度約束公式，結合B樣條曲線規劃特點，依據精度要求，計算出曲面磨削軌跡各插補點對應的速度約束值，從而優化規劃軌跡插補點的位置。

所述軌跡規劃方法包括以下步驟：

步驟1，根據所述直角坐標機器人磨削系統結構，建立包括三軸直角坐標機器人、六維力傳感器、磨削刀具、曲面工件、兩軸旋轉工作平臺的直角坐標機器人磨削系統剛度矩陣；

其中，K^-1＝K_g^-1+K_j^-1+K_o^-1+K_c^-1

步驟2，驅動三軸直角坐標機器人的導向單元(2)末端帶動六維力傳感器測量單元(4)和磨削刀具(5)接近工件，以規劃深度a_p、磨削角度θ、進給速度切入工件進行磨削，利用六維力傳感器測量單元(4)末端受力情況，算出系統形變σ_t和材料去除速度并加以記錄；

步驟3，改變進給速度重復步驟2對工件進行磨削，對比不同速度下磨削力的變化情況，建立磨削形變與進給速度之間的關系式；

步驟4，調整兩軸旋轉平臺角度，改變工件和磨削刀具的相對角度，重復步驟2、3，測量磨削力變化情況，通過公式1、3計算出角度變化后的形變情況，利用公式：

其中R_s為刀具半徑，計算出角度改變對接觸面積S_e的影響，從而推導出材料去除速度改變情況：

其中η為電機有效功率，P_e為電機額定功率，F_e為刀具單位面積磨削力，從而推導出系統形變與進給速度、磨削角度之間的關系式：

用來改變對機器人末端磨削力造成的影響；

步驟5，利用測量得到的受力情況和機器人剛度矩陣，計算出不同磨削角度、不同進給速度情況下的機器人系統形變，分析進給速度、磨削角度與形變之間的耦合關系，建立機器人磨削形變方程；

步驟6，根據磨削形變方程，依據一定精度，計算各個角度下的允許最大進給速度，將磨削曲面軌跡代入磨削形變方程，得到曲面加工的速度約束公式；

步驟7:結合機器人控制系統和B樣條曲線軌跡插補方法推導出插補點規劃公式：

其中u(k+1)T為第k+1個插補點，u(k)第k個插補點，T為插補周期，dQ_x(u)和dQ_y(u)分別為B樣條曲線上相鄰兩個插補點的X、Y方向距離，u為B樣條插補點參數；

然后根據插補點規劃公式對規劃軌跡進行插補點調整則實現磨削規劃軌跡的優化。

本發明針對解決形變問題的機器人磨削系統的軌跡規劃方法，首先根據直角坐標機器人磨削系統的結構特點，建立磨削系統剛度矩陣，通過分析磨削力、進給速度、磨削夾角與磨削形變之間的關系，計算磨削過程中形變的形成和釋放程度，并在傳統磨削模型的基礎上，引入磨削系統剛度矩陣和磨削系統形變方程，建立適用于直角坐標機器人的磨削模型，推導出磨削進給速度約束公式。隨后依據精度要求，計算出曲面磨削軌跡對應的速度約束值，從而優化規劃軌跡插補點的位置，實現規劃規劃軌跡的優化。該方法充分考慮了磨削過程中，機器人因剛度不足受力產生的形變問題，以及各磨削角度、進給速度對磨削形變的影響，為直角坐標機器人在磨削加工方面的應用提供方法。

附圖說明

圖1、圖2是本發明的直角坐標機器人磨削系統結構示意圖；

圖3是本發明直角坐標機器人磨削系統的軌跡規劃方法原理圖；

圖4是本發明的直角坐標機器人磨削系統中兩軸旋轉平臺結構示意圖；

圖5是本發明直角坐標機器人磨削方式及形變形成過程示意圖。

圖中，1.工作臺架，2.三軸直角坐標機器人的導向單元，3.驅動單元，4.六維力傳感器測量單元，5.磨削刀具，6.曲面工件，7.兩軸旋轉工作平臺；

2-1.X軸直線導軌，2-2.Y軸直線導軌，2-3.Z軸直線導軌；

7-1.A軸旋轉平臺，7-2.B軸旋轉平臺。

7-11.伺服電機，7-12.聯軸器，7-13.同步輪，7-14.八角板，7-15.旋轉盤，7-16.齒輪箱；

具體實施方式

下面結合附圖和具體實施方式對本發明進行詳細說明。

一種解決形變問題的機器人磨削系統，如圖1和圖2所示，該系統為直角坐標機器人磨削系統，直角坐標機器人磨削系統包括工作臺架1、三軸直角坐標機器人的導向單元2、驅動單元3，六維力傳感器測量單元4、磨削刀具5、曲面工件6，所述直角坐標機器人磨削系統還包括安裝曲面工件6的兩軸旋轉工作平臺7以及形變計算模塊和插補點優化模塊；所述導向單元2設置在工作臺架1上并受驅動單元3的驅動，六維力傳感器測量單元4、磨削刀具5依次安裝在三軸直角坐標機器人導向單元2的末端；

本發明直角坐標機器人磨削系統通過驅動旋轉工作平臺7A軸旋轉工作平臺7-1和B軸旋轉平臺7-2，調整機器人磨削切入角度和姿態；如圖4所示，A軸旋轉平臺7-1驅動伺服電機7-11、聯軸器7-12、同步輪7-13，帶動旋轉盤7-15和八角板7-14上的曲面工件6轉動，改變工件相對刀具在X-Z平面上的角度；B軸旋轉平臺7-2則通過驅動伺服電機7-11、齒輪箱7-16帶動旋轉盤7-15進行轉動；帶動A軸旋轉工作平臺7-1上的曲面工件6轉動，改變工件角度；所述曲面工件6磨削受力情況通過磨削刀具5末端安裝的六維傳感器測量單元4實時測量。

六維傳感器測量單元4與磨削刀具5的結合方式的特點在于其測量得到的末端切削力無須進行標定和解耦，可以精確分辨切削力大小和方向。而兩軸旋轉工作平臺7的聯動，則可以磨削刀具5進入曲面工件6的切削角度，同時在切削過程中隨時根據要求改變切削進給角度。

本發明解決形變問題的機器人磨削系統的軌跡規劃方法，通過所述形變計算模塊和插補點優化模塊來調整，所述的形變計算模塊：根據三軸直角坐標機器人及兩軸旋轉平臺結構，建立機器人磨削系統剛度矩陣；驅動機器人帶動力傳感器和磨削刀具以規劃進給速度和角度切入目標深度對工件進行磨削，根據不同角度、進給速度下力傳感器收集末端受力情況，結合系統剛度矩陣計算出機器人系統磨削形變；所述的插補點優化模塊：根據進給速度、磨削夾角與磨削形變之間的關系，建立速度約束公式，結合B樣條曲線規劃特點，依據精度要求，計算出曲面磨削軌跡各插補點對應的速度約束值，從而優化規劃軌跡插補點的位置。

本發明針對解決形變問題的機器人磨削系統的軌跡規劃方法，如圖3所示，是基于一種新型的直角坐標機器人磨削系統制定的，具體實施的步驟如下：

步驟1，先根據直角坐標機器人磨削裝置結構，建立包括三軸直角坐標機器人的導向單元2、六維力傳感器測量單元4、曲面工件6、曲面工件6、兩軸旋轉工作平臺7的直角坐標機器人磨削系統剛度矩陣；

步驟2，通過工作臺架1上的驅動單元3的驅動三軸直角坐標機器人的導向單元2末端帶動六維力傳感器測量單元4和磨削刀具5向曲面工件6接近，磨削刀具5以規劃深度a_p、進給速度切入工件進行磨削，此時三軸直角坐標機器人的導向單元2系統末端出現如圖5所示，繞度為β的形變，設σ為等效位移形變。該形變可以通過六維力傳感器收集刀具受力情況并傳輸到上位機，利用六維力傳感器測量單元4末端受力情況，結合機器人矩陣根據公式1計算出系統形變σ_t，同時根據公式2求取材料去除速度隨后推導出形變和進給速度的關系公式3，最后得到速度約束公式4，加以記錄；

步驟3，通過兩軸旋轉工作平臺7的B軸旋轉平臺7-2的伺服電機7-11驅動齒輪箱7-16帶動A軸旋轉平臺7-1進行轉動，改變磨削刀具5和曲面工件6在X-Z平面上的夾角；隨后通過A軸旋轉平臺7-1的伺服電機7-11驅動，改變磨削刀具5和曲面工件6在A軸旋轉平臺7-1面上的夾角，重復步驟2并測量角度改變后的磨削力，根據公式5、6計算出角度改變后的磨削面積和材料去除速度，推導出磨削角度、進給速度和形變的關系式，最后建立角度和磨削接觸面積、材料去除公式7；

步驟4，將曲面工件6表面軌跡代入模型，根據公式6計算出曲面加工的接觸面積變化，隨后依據精度要求，通過公式7計算出加工曲面軌跡上各點允許的最大進給速度；調整兩軸旋轉工作平臺7角度，改變磨削刀具5和曲面工件6的相對角度；

步驟5，根據速度約束公式7，結合B樣條曲面軌跡插補點規劃方式(公式8)，計算出插補點間的最大允許距離，從而優化規劃插補點位置。

上述實施例為本方面較佳的實施方式，但本方明的實施方式并不受上述實施例的限制，其他的任何背離本發明的精神實質與原理下所作的改變、修飾、替代、組合、簡化，均應為等效的置換方式，都包含在本發明的保護范圍之內。