[发明专利]一种基于机器人刚度特性的模态耦合颤振抑制方法

说明书

本发明属于机器人铣削系统相关技术领域，并公开了一种基于机器人刚度特性的模态耦合颤振抑制方法。该方法包括下列步骤：S1对于待处理铣削系统，设定机器人姿态和主轴进给方向，利用刚度椭球与法平面相交获得相交椭圆，以椭圆的长轴和短轴方向作为横纵坐标轴方向建立X₂OY₂坐标系；S2在法平面内建立进给坐标系，建立关于切削刚性的二自由度模态耦合动力学方程；S3将动力学方程转换至X₂OY₂坐标系中，获得简化后的动力学方程，设定稳定判定条件，对于不稳定的待处理铣削系统，调整机器人姿态和主轴进给方向，直至其满足判定条件，以此实现模态耦合颤振抑制。通过本发明，有效抑制加工中的颤振，提供系统的稳定性和加工精度。

技术领域

本发明属于机器人铣削系统相关技术领域，更具体地，涉及一种基于机器人刚度特性的模态耦合颤振抑制方法。

背景技术

自首台工业机器人问世，机器人在人类社会中扮演的角色日益增多。在机加过程中，机器人末端与工件发生持续性力作用，受切削力的影响，机器人末端将产生变形与振动，深入研究机器人加工过程中的变形与振动机理，在此基础上进行工艺及控制是保证机器人机加精度与质量、提高加工效率的关键。由于机器人加工系统的整体刚度过低，与数控机床的高刚度(大于50N/μm)相比，工业机器人的刚度小于1N/μm。在实际加工过程中较易自激产生颤振现象，机械臂发生剧烈的抖动，颤振的发生会造成巨大的经济损失，比如刀具磨损、缩短机器人寿命、工件表面质量恶化，降低加工效率等等。颤振抑制的研究可以大幅增加机器人、刀具寿命，提高加工效率和加工质量，对实际生产加工有着重要的意义。

机器人的刚度特性是加工颤振产生的主要因素之一，目前对机器人的刚度辨识主要研究方法为计算静力学模型。而在机器人加工系统进行切削工作中，针对工业机器人变结构和变刚度的特点，目前主要的研究方法有：关注在切削力和压紧力共同作用下的系统刚度模型，研究切削颤振现象与机器人刚度性能之间的关系，以期揭示和阐述机器人加工系统切削颤振的作用机理，并通过对机器人位姿、刚度性能以及加工参数的优化，达到抑制切削颤振的目的。在专利CN201610278586.7中，公开了一种基于颤振频率的加工颤振智能抑制方法，在加工过程中，通过检测算法，利用频率估计算法将颤振的主频率估计出来，得到变主轴转速颤振抑制算法的赋值和频率的最优幅值和最优频率，向机床发出变主轴转速颤振抑制的指定，使转速周期性变化，从而在颤振孕育阶段将颤振抑制住。在专利CN201710742399.4中，公开基于刚度变化的铣削颤振抑制方法及铣削颤振优化系统，其特征在于：建立刚度时变铣削动力学方程，得到不同条件下的铣削稳定性叶瓣图，选择切削极限深度最大作为切削参数来抑制颤振。以上两项专利分别从主频率和刚度时变系统下的极限切深来抑制颤振，其抑制对象都是机床，尚未发现关于通过刚度特性改变机器人位姿和进给方向来抑制机器人加工时的颤振，因此本发明具有很大的实际应用潜力。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种基于机器人刚度特性的模态耦合颤振抑制方法，通过建立机器人位姿和主轴进给方向与颤振的关系，并以此评估铣削系统的稳定性，有效抑制加工中的颤振，提供系统的稳定性和加工精度。

为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种基于机器人刚度特性的模态耦合颤振抑制方法，该方法包括下列步骤：

S1对于待处理铣削系统，设定机器人姿态和主轴进给方向，对于设定的机器人姿态，确定在该姿态下机器人末端的笛卡尔刚度椭球；

对于设定的主轴进给方向，以该主轴方向为Z轴方向，刀轴方向为Y方向，建立进给坐标系OXYZ，将该进给坐标系绕其Y轴顺时针旋转θ，获得坐标系OX₁YZ₁，该坐标系中X₁OY平面与所述笛卡尔刚度椭球相交获得相交椭圆，以该椭圆的长轴和短轴方向作为横纵坐标轴方向建立X₂OY₂平面坐标系，其中，θ利用待处理铣削系统中平均切削力计算获得；