[发明专利]一种考虑奇异点与碰撞避免的高阶光滑机器人曲面加工过程优化方法

说明书

本申请公开了一种考虑奇异点与碰撞避免的高阶光滑机器人曲面加工过程优化方法，技术要点在于：首先根据曲面扫掠覆盖要求以及加工要求，规划刀触点轨迹以及刀轴矢量角度范围。从而得到刀具位置轨迹，然后沿刀具位置轨迹对刀具的三维姿态进行优化。在刀具姿态优化的过程中，对刀具姿态的微分向量进行优化，通过给定的刀具姿态的初值，不断积分得到整体的刀具姿态轨迹。采用本申请的方法，能够保证生成的刀具轨迹具有高阶光顺性。

技术领域

本发明属于数控加工技术领域，具体涉及一种考虑奇异点与碰撞避免的高阶光滑机器人曲面加工过程优化方法。

背景技术

随着3D打印以及成型技术的不断进步，被加工零件逐渐向一体化复杂化发展，同时留给后续加工的去除量也越来越少，这些都促进了加工装备逐渐向轻量化灵巧化方向发展。而6R关节机器人随着其本身机械制造技术与电气控制技术的发展，其运动精度与平稳性也有了较大的提升，进一步促进了机器人作为执行装备在制造链中去除加工的应用。但是由于机器人驱动关节与工作空间复杂的映射关系、冗余的自由度、低刚度以及在工作空间随位置变化的机械特性，使得简单地将常规机器人直接应用到加工过程中，难以满足加工精度的要求。

因此需要对机器人加工运行过程进行深入分析，并研究机器人运动过程对加工精度的影响规律。尤其是针对机器人加工过程中存在冗余自由度所体现的灵活性问题，需要从冗余自由度中对机器人加工过程的几何轨迹进行寻优。

大量的国内外研究学者也在机器人加工领域开展了大量研究。欧盟于2010年、2012年先后启动COMET和HEPHESTOS计划，旨在利用工业机器人实现路径规划、轨迹生成以及跟踪控制来完成难加工材料的机器人加工，涵盖铣削、磨削和抛光等领域。ABB、KUKA等公司已经推出铣削加工机器人以及相应的机器人轨迹软件生成包。

国际生产工程科学院(CIRP，The International Academy for ProductionEngineering)在2019年报中，多名国际知名专家对机器人加工研究发表了综述文章(参考文献1：Verl,Alexander,Anna Valente,Shreyes Melkote,Christian Brecher,ErdemOzturk,and Lutfi Taner Tunc.Robots in machining.CIRP Annals 68,no.2(2019):799-822.)，阐述了机器人作为加工装备的广阔应用前景与需要解决的科研问题。

国内华中科技大学与上海交通大学在机器人抛光与打磨等应用领域有大量的研究。丁汉院士团队在大型构件多机器人智能加工方面，提出了新的应用方法，做出了大量科研创新成果。

清华大学刘辛军团队在机器人系统的结构设计、机器人化制造装备进行了系统研究。

针对如何找到最优轨迹问题，已有公开技术从冗余自由度中寻找光滑且满足空间约束要求的机器人曲面加工关节轨迹。

彭等(参考文献2：Peng J F,Ding Y,Zhang G,et al.Smoothness-oriented pathoptimization for robotic milling processes.Sci.China Technol.Sci.,2020,63:1751–1763.)采用序列线性化优化方法对传统的基于图的方法提供的初始解进行改进，从冗余自由度中获得平滑轨迹。

卢等(参考文献3：Lu Y A,Tang K,Wang C Y.Collision-free and smooth jointmotion planning for six-axis industrial robots by redundancyoptimization.Robotics and Computer-Integrated Manufacturing,2021,68:102091.)采用B样条曲线插值表征关节轨迹曲线。他们提出了一种优化方法来解决6R机器人的逆运动学问题，以遵循给定的刀具路径，同时考虑平滑度和无碰撞要求。