[发明专利]一种基于刚度性能的机器人钻削加工系统布局方法

说明书

本发明提供一种基于刚度性能的机器人钻削加工系统布局方法，首先基于机器人雅可比矩阵及关节刚度，建立了机器人末端操作刚度矩阵。通过建立机器人刚度性能指标—瑞利商，计算出每个布局点机器人的瑞利商的值，给机器人刚度矩阵提供了一个标量测度。通过对计算得出的瑞利商值的分析，得到机器人刚度性能的变化规律，并得到机器人钻削系统的布局分布，结合工厂的实际要求，最终得到机器人钻削系统的合理布局，在此布局下，机器人刚度性能最优，将此布局方法应用到工业化加工系统中，显著提升了机器人的加工精度。

技术领域

本发明属于机器人加工应用技术领域，涉及一种基于刚度性能的机器人钻削加工系统布局方法。

背景技术

随着机器人的位置精度、负载能力的不断提高，机器人技术受到了广大航空企业的关注。自动钻削是航空领域应用最广泛的机器人技术，机器人具有灵活性好，智能化程度高，成本低等优点。在飞机装配领域，钻削工作量巨大，其位置精度与质量十分重要。而用于钻削的机器人多为串联机器人，串联机器人具有空间悬臂梁结构，所以刚度性能低，其末端的误差是各个关节和连杆误差的累积和放大，末端定位精度低。针对刚度的研究现状，通过对机器人加工姿态进行优化能有效解决因加工姿态导致的刚度低问题，机器人加工姿态取决于机器人加工系统的布局以及机器人末端的姿态，然而，布局对刚度性能的影响往往都被忽略了，目前机器人钻削加工系统的布局通常是基于设计者的经验，没有定量的选择标准。因此，提出一种合理的机器人钻削系统布局方法，对于提高机器人的刚度性能，对机器人的加工精度提升，提升工业机器人在加工中的通用性具有重要意义。

发明内容

本发明的目的在于解决机器人钻削系统加工中的不足，提出一种基于刚度性能的机器人钻削加工系统布局方法以提升机器人加工精度。基于机器人雅可比矩阵及关节刚度，建立了机器人末端操作刚度矩阵。通过建立机器人刚度性能指标—瑞利商，计算出每个布局点机器人的瑞利商的值，给机器人刚度矩阵提供了一个标量测度。通过对计算得出的瑞利商值的分析，得到机器人刚度性能的变化规律，并得到机器人钻削系统的布局分布，结合工厂的实际要求，最终得到机器人钻削系统的合理布局，在此布局下，机器人刚度性能最优。

为达到上述目的，本发明采用如下述技术方案：

一种基于刚度性能的机器人钻削加工系统布局方法，具体步骤如下：

步骤1：基于机器人运动学矩阵建立机器人刚度模型：

根据等效转换原理，用等效扭转弹簧代替柔性接头；在该情况下，关节刚度由弹簧常数表示，六自由度机器人关节刚度由对角矩阵表示为：

K_q＝diag(k₁,k₂,k₃,k₄,k₅,k₆) (1)

其中，K_q是机器人关节刚度矩阵，k₁至k₆为机器人的关节刚度；

通过机器人雅可比矩阵J，推出关节刚度矩阵到操作刚度矩阵的映射关系为：

K＝J(q)^-TK_qJ(q)^-1 (2)

六自由度机器人末端操作矩阵一般形式如下：

其中，K是机器人末端操作刚度6×6矩阵，是机器人工具坐标系到机器人基坐标系的转换矩阵，^NP是由机器人末端指向工具坐标系的位置矢量，为矩阵的斜对称矩阵；

步骤2：机器人刚度性能评价指标：

建立代表产生单位变形所需的力的瑞利商作为机器人刚度性能的评价指标，将机器人末端操作刚度矩阵根据力和变形的关系分为四个子矩阵：