[发明专利]考虑轮廓误差最小的铣削加工机器人姿态优化方法及设备

说明书

本发明属于机器人铣削加工领域，公开了一种考虑轮廓误差最小的铣削加工机器人姿态优化方法及设备。该方法包括：S1根据待加工工件和刀具路径进行铣削过程的切削力仿真得到离散刀位点处的切削力数据；S2将工件坐标系下的刀位点数据转换成机器人基坐标系下的刀位点数据；S3对所有刀位点在刀轴角度的可行范围内进行等间隔划分；S4计算各刀轴角度下的刀尖点偏差；S5计算刀具铣削加工的刀位点轮廓误差；S6对于单个刀位点，根据刀位点轮廓误差最小原则，在给定限制和约束条件下搜索所有刀轴角度中最小刀位点轮廓误差对应的机器人姿态，得到刀位点轮廓误差最小的机器人姿态；S7对所有刀位点重复S6获得轮廓误差最小的铣削加工机器人姿态。

技术领域

本发明属于机器人铣削加工领域，涉及一种考虑轮廓误差最小的铣削加工机器人姿态优化方法及设备，更具体地，涉及一种在机器人铣削加工中考虑加工工程轮廓误差最优的机器人姿态优化计算方法。

背景技术

在机器人铣削加工领域，在不考虑机器人运动精度误差的前提下，影响其加工工件质量的最主要因素是因机器人低刚度与铣削力引起的末端变形导致的加工误差。对于六自由度串联工业机器人而言，其低刚度问题是普遍存在的问题，且其刚度分布严重依赖于机器人的姿态。

为了解决上述问题，有学者提出了一种与机器人末端执行力受力大小无关的机器人结构刚度性能指标，基于该结构刚度性能指标评价机器人在被加工工件表面法向上的刚度大小，以刀尖点位移最小为优化目标，从而通过最大化该刚度指标来优化机器人姿态。上述方法存在如下问题：

1、由于该方法并不考虑机器人末端执行力，因此并不能保证机器人在受力方向上刚度最大；

2、该方法可以保证刀尖点位移偏差最小，但是由于机器人末端位置的误差一般大于轮廓误差，该方法并不能保证加工后的轮廓误差最小。

此外，还有学者提出了基于机器人静刚度模型选择工件位置随后进行末端位置补偿的方法，该方法首先基于机器人静刚度模型进行空间位置内的静刚度验证，以在加工之前，先选好空间内机器人静刚度最大的工件位置进行工件装夹，然后在加工过程中直接对机器人的末端位置进行控制实现末端位置补偿。上述方法存在如下问题：

1、该方法未考虑机器人末端位姿的事前规划与控制，目的仅在于加工过程中通过闭环反馈确保机器人末端位置与规划位置一致；因此，该方法同样是对末端位置的实时误差控制，并不能保证加工后的轮廓误差最小；

2、由于该方法对机器人静刚度的考虑仅体现在工件位置的选择上，在加工过程中并不改变工件位置，也没有考虑铣削加工时的切削力对刚度的影响，因此，仍然无法针对加工过程中的机器人刚度变化引起的误差进行补偿。

可见，现有技术中对机器人末端的变形计算和补偿，并未考虑到机器人铣削加工过程中机器人姿态选取的问题，也未针对轮廓误差进行优化，导致机器人铣削加工质量难以进一步提升。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种考虑轮廓误差最小的铣削加工机器人姿态优化方法及设备，其目的在于，通过实际加工之前的仿真，考虑加工过程中的切削力，并对刀轴的旋转角度进行均匀离散，然后基于机器人静刚度模型，计算离散出来的刀轴角度对应的刀尖点偏差，再以轮廓误差最小化为目标，从离散出来的刀轴角度里面，选取一个最合适的刀轴角度，由该刀轴角度逆解出机器人姿态，从而能够针对不同待加工工件和不同刀具路径，选择刀具路径上每个刀位点各自最优的机器人姿态，由此解决在既定条件下机器人铣削加工质量难以进一步提升的技术问题。

为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种考虑轮廓误差最小的铣削加工机器人姿态优化方法，包括如下步骤：

S1、根据待加工工件和刀具路径，通过进行切削力仿真，得到工件坐标系下的离散刀位点处相应的切削力