[发明专利]综合考虑钻孔深度与孔壁质量的机器人钻削位姿优化方法

说明书

本发明一种综合考虑钻孔深度与孔壁质量的机器人钻削位姿优化方法，属于机器人控制方法领域。首先，基于机器人运动学性能指标，计算获得笛卡尔空间内机器人运动性能分布规律，确定机器人性能优良的工作区域；然后，基于机器人末端执行器位移与受力映射关系，采用矩阵范数和瑞利熵理论分别建立机器人加工整体刚度和单向刚度模型，获得任意姿态下机器人加工整体与单向刚度指标；最后，综合考虑钻孔深度精度与孔壁质量，建立以机器人整体与单向双刚度为目标的机器人钻削姿态优化方法。本发明针对机器人钻削工艺特点与质量要求，建立了综合考虑钻孔深度与孔壁质量的机器人钻削姿态优化方法，可以有效协同保证精确的钻孔深度和较好的孔壁质量。

技术领域

本发明属于机器人控制方法领域，具体的说是涉及一种用于钻削加工的工业机器人加工位姿优化方法。

背景技术

工业机器人多为空间六轴串联机构，相较于数控机床，其具有加工灵活性高、成本低以及工作空间大等优势，因此越来越多的被应用于机械加工领域，尤其是具有多品种小批量以及结构较大等特征的航天航天类工件。然而工业机器人刚度较差(一般低于1N/μm)，造成其加工过程受力情况下，末端执行器容易发生位置偏移，导致加工精度较低。受制于其低刚度约束，工业机器人目前多用于码垛、搬运等粗放式作业及其他精度要求较低的粗加工过程，极大地限制了其在高精度加工领域的应用。因此如何有效提升工业机器人加工刚度，对于提升加工质量，拓展工业机器人应用范围具有重要的理论意义与工程价值。

为有效提升机器人的加工刚度，国内外诸多学者与工程人员做了大量的研究。目前机器人刚度提升方法大致可以分为两类：结构优化与位姿优化。前者主要通过对工业机器人结构进行优化来达到刚度提升的目的，一般多采用在机器人关节2与3之间增加连杆的方式。这种方式刚度提升效果明显，但是增加的连杆对于机器人运动自由度具有较大限制，降低了机器人的空间运动灵活性，同时增加了机器人的制造成本。后者则利用机器人具有冗余加工自由度的特点，通过改变机器人的加工位姿来提升其刚度性能。该种方法应用简单，成本较低，且不影响机器人空间运动性能，因此得到了广泛的研究与应用。然而，目前机器人刚度性能优化多数以机器人本体为研究对象，并未结合具体加工工艺的特征与质量要求。同时多数研究在刚度优化过程没有考虑机器人的结构特点和运动特性，降低了机器人空间运动的灵活性。因此结合机器人结构与运动特征来确定机器人优化工作空间，在此基础上针对具体加工工艺特征及质量要求，构建基于刚度性能指标的位姿优化方法，可以有效提升机器人运动灵活性与刚度性能，进而提升机器人加工精度，拓展其在高精度加工领域的应用范围。

发明内容

为了有效提升机器人加工刚度，进一步拓展其在高精度加工领域的应用范围，本发明结合机器人几何结构与空间运动特征，确定了机器人优良性能的工作空间，并重点针对钻削工艺的特征与质量要求，建立了机器人加工整体刚度和单向刚度模型，获得了任意姿态下机器人加工整体与单向刚度指标，在此基础上提出了一种综合考虑钻孔深度与孔壁质量的机器人钻削位姿优化方法。

本发明为解决其技术问题采用的技术方案为:一种综合考虑钻孔深度与孔壁质量的机器人钻削位姿优化方法。主要包括以下步骤:

S1、基于机器人运动学性能指标，获得机器人空间运动性能分布规律，确定机器人加工性能优良的工作区域；

S2、基于机器人末端柔度矩阵建立机器人末端位移与受力映射关系；

S3、采用矩阵范数理论建立机器人加工整体刚度模型，获得机器人任意位姿下的加工整体刚度指标；

S4、采用瑞利熵建立机器人加工单向刚度模型，获得机器人任意位姿下的加工单向刚度指标；

S5、基于机器人加工整体刚度和单向刚度模型，综合考虑钻孔深度与孔壁质量，建立以双刚度为目标的机器人姿态优化方法，进行机器人钻削位姿优化。

进一步地，所述步骤S1包括以下子步骤:

采用雅克比矩阵条件数的倒数来进行机器人空间运动性能描述，具体表示为：