[发明专利]针对解决形变问题的机器人磨削系统及其轨迹规划方法

摘要

本发明公开了一种针对解决形变问题的机器人磨削系统及其轨迹规划方法，该系统为直角坐标机器人磨削系统，直角坐标机器人磨削系统包括工作台架、三轴直角坐标机器人的导向单元、驱动单元，六维力传感器测量单元、磨削刀具、曲面工件，所述直角坐标机器人磨削系统还包括安装曲面工件的两轴旋转工作平台以及形变计算模块和插补点优化模块。本发明的方法通过所述形变计算模块和插补点优化模块来调整本发明根据机器人磨削系统结构和受力情况，通过两轴旋转平台，改变工件和刀具之间的角度，从对机器人切削系统在不同切削角度和进给速度下的形变情况进行评估，并根据精度要求推导出基于磨削形变的磨削进给速度约束公式，最终优化曲面磨削的加工轨迹。

主权项

1.一种解决形变问题的机器人磨削系统，该系统为直角坐标机器人磨削系统，直角坐标机器人磨削系统包括工作台架(1)、三轴直角坐标机器人的导向单元(2)、驱动单元(3)，六维力传感器测量单元(4)、磨削刀具(5)、曲面工件(6)，其特征在于，所述直角坐标机器人磨削系统还包括安装曲面工件(6)的两轴旋转工作平台(7)以及形变计算模块和插补点优化模块；所述导向单元(2)设置在工作台架(1)上并受驱动单元(3)的驱动，六维力传感器测量单元(4)、磨削刀具(5)依次安装在三轴直角坐标机器人导向单元(2)的末端；所述直角坐标机器人磨削系统通过驱动旋转工作平台(7)A轴旋转工作平台(7‑1)和B轴旋转平台(7‑2)，调整机器人磨削切入角度和姿态；其中，A轴旋转平台(7‑1)驱动伺服电机(7‑11)、联轴器(7‑12)、同步轮(7‑13)，带动旋转盘(7‑15)和八角板(7‑14)上的曲面工件(6)转动，改变工件相对刀具在X‑Z平面上的角度；B轴旋转平台(7‑2)则通过驱动伺服电机(7‑11)、齿轮箱(7‑16)带动旋转盘(7‑15)进行转动；带动A轴旋转工作平台(7‑1)上的曲面工件(6)转动，改变工件角度；所述曲面工件(6)磨削受力情况通过磨削刀具(5)末端安装的六维力传感器测量单元(4)实时测量；该系统的轨迹规划方法通过所述形变计算模块和插补点优化模块来调整，所述的形变计算模块：根据三轴直角坐标机器人及两轴旋转平台结构，建立机器人磨削系统刚度矩阵；驱动机器人带动力传感器和磨削刀具以规划进给速度和角度切入目标深度对工件进行磨削，根据不同角度、进给速度下力传感器收集末端受力情况，结合系统刚度矩阵计算出机器人系统磨削形变；所述的插补点优化模块：根据进给速度、磨削夹角与磨削形变之间的关系，建立速度约束公式，结合B样条曲线规划特点，依据精度要求，计算出曲面磨削轨迹各插补点对应的速度约束值，从而优化规划轨迹插补点的位置；所述轨迹规划方法包括以下步骤：步骤1，根据所述直角坐标机器人磨削系统结构，建立包括三轴直角坐标机器人、六维力传感器、磨削刀具、曲面工件、两轴旋转工作平台的直角坐标机器人磨削系统刚度矩阵；其中，K^‑1＝K_g^‑1+K_j^‑1+K_o^‑1+K_c^‑1式中：K为机器人磨削系统刚度矩阵；K_x为机器人磨削系统刚度在X方向的分量；K_y为机器人磨削系统刚度在Y方向的分量；K_z为机器人磨削系统刚度在Z方向的分量；K_g、K_j、K_o、K_c分别为三轴直角坐标机器人、六维力传感器、磨削刀具、曲面工件及两轴旋转工作平台刚度；步骤2，驱动三轴直角坐标机器人的导向单元(2)末端带动六维力传感器测量单元(4)和磨削刀具(5)接近工件，以规划深度a_p、磨削角度θ、进给速度切入工件进行磨削，利用六维力传感器测量单元(4)末端受力情况，算出系统形变σ_t和材料去除速度并加以记录；式中：F_p为磨削力为进给速度和材料去除速度之差；步骤3，改变进给速度重复步骤2对工件进行磨削，对比不同速度下磨削力的变化情况，建立磨削形变与进给速度之间的关系式；式中：ε为磨削形变t_n为执行磨削的时间长度；Δσ为单位时刻的系统变形的变化量；步骤4，调整两轴旋转平台角度，改变工件和磨削刀具的相对角度，重复步骤2、3，测量磨削力变化情况，通过公式1、3计算出角度变化后的形变情况，利用公式：其中R_s为刀具半径，计算出角度改变对接触面积的影响，从而推导出材料去除速度改变情况：其中η为电机有效功率，P_e为电机额定功率，F_e^‑1为刀具单位面积磨削力，S_e为接触面积，从而推导出系统形变与进给速度、磨削角度之间的关系式：用来改变对机器人末端磨削力造成的影响；步骤5，利用测量得到的受力情况和机器人刚度矩阵，计算出不同磨削角度、不同进给速度情况下的机器人系统形变，分析进给速度、磨削角度与形变之间的耦合关系，建立机器人磨削形变方程；步骤6，根据磨削形变方程，依据一定精度，计算各个角度下的允许最大进给速度，将磨削曲面轨迹代入磨削形变方程，得到曲面加工的速度约束公式；步骤7:结合机器人控制系统和B样条曲线轨迹插补方法推导出插补点规划公式：其中u(k+1)为第k+1个插补点，u(k)第k个插补点，T为插补周期，dQ_x(u)和dQ_y(u)分别为B样条曲线上相邻两个插补点的X、Y方向距离，u为B样条插补点参数；然后根据插补点规划公式对规划轨迹进行插补点调整则实现磨削规划轨迹的优化。