[发明专利]两台单臂工业机器人非接触式协同提升加工刚度的装置

说明书

本发明涉及一种两台单臂工业机器人非接触式协同提升加工刚度的装置，属于机器人加工领域。安装在主工业机器人末端的回转工具轴、安装在回转工具轴外支座上的主环形磁铁、安装在从工业机器人末端的从半环形磁铁，主环形磁铁与从半环形磁铁构成非接触式支撑副，在主环形磁铁的外圆环侧与从半环形磁铁的内圆环侧之间产生斥力或引力，通过实时调控主工业机器人和从工业机器人姿态以使回转工具轴所受的切削力与主、从工业机器人提供的支撑力处于平衡状态。优点在于：两台单臂工业机器人的成本远低于一台高刚度单臂加工机器人的成本；两台单臂工业机器人非接触协同支撑不会减小工件工作空间。

技术领域

本发明属于机器人加工(Robotic machining)技术领域，具体涉及一种两台单臂工业机器人非接触式协同提升加工刚度的装置。

背景技术

根据国际机器人联合会(International Federation of Robotics，IFR)2020年世界机器人报告，2019年全球工业机器人销量已达到270万台以上，工业机器人的应用已经越来越广泛。1987年，Appleton和Williams首次提出利用机器人进行机械加工。单臂工业机器人具有成本低、工作空间大、加工环境要求不高等优点，在大型模具、大型光学反射镜、风力发电叶片、大型舰船桨叶、大型航空航天构件等大型零件/构件加工中得到了愈来愈多的应用。德国KUKA、瑞士ABB等机器人公司皆指出，与数控机床相比，单臂工业机器人作为加工系统的刚度和工作精度皆较低，这个问题已成为阻碍工业机器人在机械加工领域广泛应用的技术瓶颈。为了解决单臂工业机器人刚度和工作精度不足的问题，国内外学术界和工业界提出了一些技术方案。

例如：上海交通大学朱利民等人提出机器人姿态对铣削加工过程具有显著影响，在其余加工参数不变的条件下，通过实验可以看出不同机器人姿态加工得到的平面区域表面质量不一样；华中科技大学李文龙、尹周平等人利用机器人基坐标的位置和刀具在每个切削位置上刀具的旋转角度作为冗余自由度，提出了机器人铣削中关节参数误差和基于机器人刚度的姿态优化方法；南京航空航天大学廖文和等人针对悬挂式安装的末端执行器，刀具轴线与机器人最后一个转角关节的轴线不重合，相对于制孔加工任务，机器人就存在一个围绕刀具轴线旋转的功能冗余自由度，找到一个机器人最优加工姿态，使得制孔轴向刚度最好，提高了提升锪窝深度精度和质量稳定性等。

以上这些都是通过改变机器人姿态以调控机器人结构构形刚度的方法。利用多关节机器人的多自由度冗余性，可以在工件的不同加工位置调整多关节机器人手臂的姿态(即各关节的转角)，从而使得工件的不同加工位置上机器人总是处于结构刚度最适或刀具-工件之间误差敏感方向相对位移最小的姿态，可以解决在工件的不同加工位置上机器人刚度变化的问题。

除此之外，一些学者利用两台或多台机器人在大型工件的不同分片区域进行协同加工，主要是为了提高工件的加工效率，与调控机器人系统刚度或精度没有关系，在此就不再赘述。

还有对于两台工业机器人协同的方式完成镜像铣削的工作。上海交通大学朱利民等人以及天津大学肖聚亮等人，都在镜像铣削的加工方式中，利用两台工业机器人协同操作，这种方式解决了薄壁工件刚度低的问题，但是没有解决工业机器人自身刚度低的问题。

此外，意大利的Matteo Palpacelli等人通过引入冗余绳驱动的方式来提高机器人的力操纵性，但是这种方式限制了机器人的工作空间；法国南特大学Garnier等人提出了适用于具有较高运动冗余度的机器人，一种工件放置优化方法，而不是利用提升机器人本身刚度的方式来提升加工精度；德国汉诺威大学Berend Denkena等人设计了一个除了配备谐波传动齿轮箱的传统齿轮电机外，还配备了带有负载侧高分辨率编码器的扭矩电机的两轴机器人，来提高工业机器人的刚度，这种方式是从改变机器人本身的结构来提高刚度的，不能广泛应用于已有的单臂工业机器人。

综上所述，各大学、公司等都没有在不改变现有工业机器人的结构下，不减小其工作空间，来提高单臂工业机器人本身的刚度的方式，因此，提出一种两台单臂工业机器人非接触式协同提升加工刚度的装置尤为重要。

发明内容