[发明专利]一种机器人多轴铣削稳定性模型及其构建方法

说明书

本发明属于工业机器人铣削系统相关技术领域，并具体公开了一种机器人多轴铣削稳定性模型及其构建方法。该方法具体为：建立机器人多轴铣削过程中的局部刀具坐标系，并利用特征线、交线与投影线确定环形刀的切触区域；推导环形刀多轴铣削的动态铣削力，并根据其建立局部刀具坐标系下的多轴铣削稳定性模型；经过坐标变换将局部刀具坐标系下的多轴铣削稳定性模型变换到机器人主轴坐标系下的多轴铣削稳定性模型。本发明考虑到机器人铣削系统刀尖频响与多轴铣削力坐标不统一问题，研究了刀具坐标系、主轴坐标系的变换关系，将局部刀具坐标系下的多轴铣削稳定性模型变换到机器人主轴坐标系下，以此获得考虑机器人冗余角与进给方向的多轴铣削稳定性模型。

技术领域

本发明属于工业机器人铣削系统相关技术领域，更具体地，涉及一种机器人多轴铣削稳定性模型及其构建方法。

背景技术

随着工业自动化水平的提高，机器人逐渐代替人类去从事许多高危、重复性、高劳动强度的动作，在工业制造领域有了越来越广泛的应用。在制造自动化与产业转型升级的深刻变革下，工业机器人已经从最初测量、切割、喷涂、焊接、搬运等领域发展到如今的磨抛、铣削、镗削等机加工领域。

在铣削加工中，相比于传统的数控机床，工业机器人具有性价比高、加工范围广、灵活性强、可重构配置性强等优点。尤其是将工业机器人应用于大型复杂曲面零件加工不仅有利于提高其制造自动化水平，而且对降低制造成本，保证加工质量都有显著效果。但是机器人刚性相对较弱(约1N/μm，机床50N/μm左右)且空间分布差异大，导致机器人铣削稳定性极限较低，限制了工业机器人的加工效率和质量。因此，如何预测不同姿态下的机器人铣削系统动态特性，高效准确计算机器人多轴铣削稳定性边界，是目前机器人铣削加工领域亟待解决的共性问题之一。

尽管目前对机床铣削工艺系统动态特性研究较多，但针对工业机器人铣削装备的稳定性分析与优化较少。颤振稳定性是制约铣削加工质量及加工效率的重要因素，颤振条件下铣削加工不仅会使得加工表面出现明显振纹，而且会严重降低刀具寿命，损害加工装备运动部件。2017年，上海交通大学Ding等人利用离散矢量法(DVM)建立了平底刀多轴铣削切触区域计算模型，并就刀轴矢量与平底刀多轴铣削稳定性极限关系进行了深入研究。CN108638076A公开了一种六自由度串联机器人铣削加工三维稳定性预测方法，该方法通过计算机器人铣削的刚度值和模态辨识实验辨识的固有频率和振型来定义主刚度方向，然后从切削方向来预测铣削稳定性。前者研究的是平底刀切触区域计算模型，对于更为复杂的环形刀切触区域计算模型没有涉及；后者CN108638076A计算机器人铣削的刚度值和模态辨识实验辨识的固有频率和振型来定义主刚度方向，然后从切削方向来预测铣削稳定性但是没有考虑冗余角的影响，对铣削稳定性预测具有一定的局限性。

发明内容

针对现有技术的上述缺点和/或改进需求，本发明提供了一种机器人多轴铣削稳定性模型及其构建方法，其中利用特征线、交线与投影线确定环形刀切触区域，以此高效准确地判定刀刃微元的切触状态；并且将局部刀具坐标系下的多轴铣削稳定性模型变换到机器人主轴坐标系下，以此获得考虑机器人冗余角与进给方向的多轴铣削稳定性模型。

为实现上述目的，按照本发明的一方面，提供了一种机器人多轴铣削稳定性模型的构建方法，该方法包括如下步骤：

S1建立机器人多轴铣削过程中的局部刀具坐标系；

S2根据步骤S1建立的局部刀具坐标系，利用特征线、交线与投影线确定环形刀切触区域；

S3根据步骤S2确定的切触区域推导环形刀多轴铣削的动态铣削力，并根据其建立局部刀具坐标系下的多轴铣削稳定性模型；

S4经过坐标变换将局部刀具坐标系下的多轴铣削稳定性模型变换到机器人主轴坐标系下的多轴铣削稳定性模型，以此获得考虑冗余角与进给方向的机器人多轴铣削稳定性模型。

作为进一步优选地，步骤S1中，所述局部刀具坐标系TCS中，z轴为刀轴矢量方向，x、y轴为与其垂直的正交矢量。