[发明专利]基于刚度定向的机器人铣削加工姿态优化方法及系统

权利要求书

1.一种基于刚度定向的机器人铣削加工姿态优化方法，其特征在于，包括如下步骤：

S1：计算机器人不同关节及不同刀轴矢量下的刀尖处两主刚度差值，并判断划分稳定工作空间与潜在颤振工作空间；

S2：若加工任务位于潜在颤振工作空间，则预先求取机器人铣削系统的稳定冗余角范围；

S3：根据工件铣削加工路径确定初始离散段长度，计算相邻两段中心点处的稳定冗余角上下边界，并获得所述稳定冗余角上下边界差值，判断该差值与阈值关系，确定离散段长度；

S4：将整个加工路径离散化，计算每段中点处的稳定冗余角范围，控制机器人采用该范围内的冗余角对应姿态进行铣削加工主动避免模态耦合颤振，实现整个铣削路径上的稳定铣削。

2.根据权利要求1所述的一种基于刚度定向的机器人铣削加工姿态优化方法，其特征在于，S1中划分稳定工作空间与潜在颤振工作空间包括：

S11：设定机器人各关节的初始关节角；

S12：基于初始关节角，针对不同铣削方式，分别计算不同关节角下的机器人铣削系统末端主刚度k_max和k_min的相近程度r：

S13：若r≥0.1，则该姿态属于稳定铣削姿态，反之属于潜在颤振姿态。

3.根据权利要求2所述的一种基于刚度定向的机器人铣削加工姿态优化方法，其特征在于，S1中划分稳定工作空间与潜在颤振工作空间包括：

S14：给定一个角度增量，遍历机器人各关节可达的角度范围，并重复步骤S12和S13，划分所有可达关节角下机器人铣削系统的稳定工作空间与潜在颤振工作空间。

4.根据权利要求2所述的一种基于刚度定向的机器人铣削加工姿态优化方法，其特征在于，步骤S12中机器人铣削系统末端主刚度k_max和k_min计算包括：

S121：通过雅可比矩阵将关节刚度矩阵转化至笛卡尔空间，获得机器人笛卡尔刚度矩阵；

S122：利用刚度矩阵中的力-线位移子矩阵，计算出机器人加工系统末端的刚度椭球，并将其在切削坐标系中表示；

S123：刚度椭球与切削平面交面为椭圆面，通过求取该椭圆长轴及短轴方向，即可获得机器人加工系统在特定位姿下，切削平面内的最大刚度方向、最小刚度方向以及对应主刚度值k_max和k_min。

5.根据权利要求1-4中任一项所述的一种基于刚度定向的机器人铣削加工姿态优化方法，其特征在于，步骤S1中，若加工任务位于系统的潜在颤振工作空间中，通过模态耦合颤振稳定性判定准则，预先计算出机器人铣削系统的稳定冗余角范围，采用该范围内的冗余角对应姿态进行铣削加工主动避免模态耦合颤振。

6.根据权利要求1-4中任一项所述的一种基于刚度定向的机器人铣削加工姿态优化方法，其特征在于，S2中求取机器人铣削系统的稳定冗余角范围包括：

S21：给定初始冗余角，并设定角度增量，获得齐次变换矩阵，通过逆运动学求解，计算出机器人各关节角度；

S22：求取该冗余角下机器人铣削系统加工平面内的主刚度方向，从而确定主刚度方向与进给方向夹角、切削力与主刚度方向夹角；

S23：基于模态耦合颤振稳定性判据，判断加工过程是否稳定。

7.根据权利要求6所述的一种基于刚度定向的机器人铣削加工姿态优化方法，其特征在于，S2中求取机器人铣削系统的稳定冗余角范围包括：

S24：重复步骤S21～S23，遍历所有关 节角度，并检测边界，根据机器人各关节角极限范围，去除不可达的部分冗余角，确定铣削过程稳定的冗余角范围。