[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

说明书

本发明公开了一种基于刚度定向的机器人铣削加工姿态优化方法及系统，方法包括S1：计算机器人系统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。本发明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。

技术领域

本发明属于机器人加工技术领域，更具体地，涉及一种基于刚度定向的机器人铣削加工姿态优化方法及系统。

背景技术

机器人加工技术以其自动化程度高、灵活性强、工作空间大等优点已成功应用于磨削、钻削、铣削等领域。但是对于大去除量的铣削加工，由于机器人结构刚度较低，导致在机器人铣削加工过程中极易产生颤振，严重影响了工件的表面加工质量和生产效率，阻碍了机器人铣削技术在制造业领域的全面应用。

为了解决上述问题，专利“CN108846242A，基于预压应力施加的薄壁件铣削颤振抑制方法”，通过构建固有频率、轴向切深及预拉应力之间的数学模型，求解得到所需预拉应力大小并施加在加工薄壁件上，实现铣削加工颤振抑制。专利“CN109968099A，基于动支撑的薄壁件铣削颤振抑制方法”，利用有限元及接触理论计算得到动支撑下工件在不同刀具位置点处的动力学参数并进行稳定性预测。上述两项专利方案分别采用施加预应力和动支撑的方式提升工件的刚度来抑制铣削加工颤振，颤振抑制方法对工件的开敞性及表面的平整度有较高的要求。

此外，专利CN109909806B针对再生颤振公开了一种提升机器人铣削稳定域的方法，将先进的旋转超声加工技术与机器人铣削系统相结合，大幅度提升了机器人铣削加工稳定域。专利“CN111633650A，一种基于机器人刚度特性的模态耦合颤振抑制方法”，通过建立二自由度模态耦合动力学方程，并结合稳定性判据，判断初始设定的机器人姿态和主轴进给方向是否稳定，并对不稳定的机器人姿态或主轴进给方向进行调整，实现模态耦合颤振抑制。以上两项专利分别针对再生颤振和模态耦合颤振提出颤振抑制策略，但旋转超声加工技术需要引入辅助设备，增加了末端负载及系统的复杂度；在模态耦合颤振抑制中，专利CN111633650A需要不断调整进给方向或者机器人加工姿态直到稳定，缺乏预见性，且不适用于大范围铣削加工，另外调整进给方向降低了机器人的灵活性且直接影响后续加工余量，存在较大的局限性。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供一种基于刚度定向的机器人铣削加工姿态优化方法及系统，将机器人铣削系统的可达工作空间划分为稳定工作空间以及潜在颤振工作空间分别处理，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，不需进行调整即可避免模态耦合颤振；实现整个铣削路径上的稳定铣削。

为了实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供一种基于刚度定向的机器人铣削加工姿态优化方法，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。

进一步地，S1中划分稳定工作空间与潜在颤振工作空间包括：