[发明专利]基于串联机械臂的环面蜗杆螺旋面加工系统及其方法

权利要求书

1.一种基于串联机械臂的环面蜗杆螺旋面加工系统，其特征在于，包括加工平台(2)和机械臂(1)，所述加工平台(2)上夹持安装有待加工环面蜗杆(3)，所述机械臂(1)的末端通过电主轴(4)连接有加工刀具(5)，所述环面蜗杆(3)在加工平台(2)上按照设定转速发生转动，所述机械臂(1)根据设定的加工轨迹和指令控制加工刀具(5)的工作位置和加工力，以完成对环面蜗杆(3)的加工；

应用上述环面蜗杆螺旋面加工系统，以实现一种基于串联机械臂的环面蜗杆螺旋面加工方法，包括以下步骤：

S1、建立加工系统运动学模型，并进行基坐标系标定；

S2、生成环面蜗杆螺旋面加工路径；

S3、规划环面蜗杆螺旋面轨迹；

S4、初步确定机械臂的加工轨迹以及控制指令；

S5、针对待加工环面蜗杆螺旋面，建立机械臂加工仿真模型，并根据仿真结果对机械臂的加工轨迹以及控制指令进行调整；

S6、根据调整后机械臂的加工轨迹以及控制指令，离线生成机械臂加工环面蜗杆螺旋面的控制程序；

S7、将待加工环面蜗杆安装至加工平台、在机械臂末端通过电主轴安装加工刀具；

使待加工环面蜗杆按照设定转速发生转动，同时机械臂按照控制程序相应控制加工刀具完成对待加工环面蜗杆螺旋面的加工；

所述步骤S2的具体过程为：首先选取一条螺旋线上的若干特征点，基于三角函数法拟合得到加工轨迹方程；

然后将加工轨迹方程离散化，得到相应离散点的单位切线矢量和单位内法线矢量，由此确定机械臂末端的加工位姿信息，其中，加工轨迹上的路径点包括单位切线矢量和单位内法线矢量两个方向，根据这两个矢量方向确定机械臂末端加工刀具的姿态；

根据环面蜗杆螺旋面加工工艺要求，对机械臂末端加工刀具的姿态规定如下：在加工作业过程中，加工轨迹上路径点的法线矢量f与磨削工具TCP坐标系的X_t方向重合，同时也是机械臂末端加工刀具进行恒力控制的方向，TCP坐标系的Y_t方向为路径点的切线矢量τ且指向下一个加工点，同时也是加工刀具移动的方向，加工刀具TCP坐标系的Z_t方向与路径点的法线矢量f与切线矢量τ的叉乘方向w＝f×τ重合，且符合右手定则。

2.根据权利要求1所述的一种基于串联机械臂的环面蜗杆螺旋面加工系统，其特征在于，所述加工平台(2)上设置有电动机，所述电动机的输出轴与待加工环面蜗杆(3)相连接。

3.根据权利要求1所述的一种基于串联机械臂的环面蜗杆螺旋面加工系统，其特征在于，所述加工刀具(5)为磨削刀具或车刀。

4.根据权利要求1所述的一种基于串联机械臂的环面蜗杆螺旋面加工系统 ，其特征在于，所述步骤S1的具体过程为：建立机械臂、加工刀具与加工平台之间的闭链运动学关系，即机械臂基座-机械臂末端-加工刀具-加工位置点-加工平台基座；

之后使用激光跟踪仪标定加工系统，其中，激光跟踪仪坐标系为固定的测量坐标系，分别标定出机械臂、加工平台的基坐标系相对于测量坐标系的变换矩阵，基于相对坐标变换原理，计算得到机械臂与加工平台的基坐标系之间的相对变换矩阵。

5.根据权利要求1所述的一种基于串联机械臂的环面蜗杆螺旋面加工系统 ，其特征在于，所述步骤S3的具体过程为：给定蜗杆的转动速度ω₁及蜗杆副的传动比i，根据i＝ω₁/ω₂计算得到磨削刀具末端的转动速度ω₂；

加工刀具从初始位置开始随机械臂逆时针转动至终止位置时，蜗杆绕其轴线正向旋转、速度方向沿纸面向外；加工刀具从初始位置开始随机械臂顺时针转动至终止位置时，蜗杆绕其轴线反向旋转、速度方向沿纸面向里，在机械臂转动过程中，加工刀具的加工面始终和蜗轮主基圆相切。