[发明专利]双机器人镜像铣削等壁厚加工的协调运动同步控制方法

摘要

本发明公开了双机器人镜像铣削等壁厚加工协调运动同步控制方法，包括以下步骤：根据铣削加工过程中支撑头和刀具的位姿要求，建立各个坐标系及其变换关系；求解支撑端机器人各主动关节参数；求解刀具端机器人各主动关节参数；等壁厚闭环控制；采用本发明方法为镜像铣削加工系统加工机器人和支撑机器人的末端执行器协同控制提供了一种有效的策略，提高了支撑头和刀具协同控制精度，为抑制振动、提高壁厚精度和表面质量提供了保障。

主权项

1.双机器人镜像铣削等壁厚加工协调运动同步控制方法，包括步骤(1)，所述的步骤(1)为：根据铣削加工过程中支撑头和刀具的位姿要求，建立以下各个坐标系及其变换关系：支撑端机器人基坐标系B1‑xyz，其建立在支撑端机器人固定基座上；刀具端机器人基坐标系B2‑xyz，其建立在刀具端机器人固定基座上；支撑端机器人末端工具坐标系C1‑xyz，其坐标原点和支撑端机器人零位下支撑头末端中心重合；刀具端机器人末端工具坐标系C2‑xyz，其坐标原点和刀具端机器人零位下刀具末端中心重合；支撑头末端随动坐标系S‑xyz，建立在支撑头上，其坐标原点和支撑头末端中心重合，随支撑头位姿改变而改变，在支撑端机器人零位时和支撑端机器人末端工具坐标系C1‑xyz完全重合，支撑头方向向量和支撑头随动坐标系S‑xyz的‑Z轴重合；刀具末端随动坐标系T‑xyz，建立在刀具上，其坐标原点与刀具末端中心重合，随加工过程刀具位姿改变而改变，在刀具端机器人零位时和刀具端机器人末端工具坐标系C2‑xyz完全重合，刀具方向向量和刀具末端随动坐标系T‑xyz的‑Z轴重合；刀具虚拟坐标系V‑xyz，其坐标原点位于理想壁厚下刀具末端中心，Z轴负方向表示理想壁厚下虚拟刀具方向；工件坐标系O‑xyz，其坐标原点位于待加工薄壁工件的支撑表面，X轴和Y轴分别与支撑端机器人基坐标系B1‑xyz的X、Y轴互相平行，Z轴互相重合；所述的刀具端机器人基坐标系B₂‑xyz与支撑端机器人基坐标系B₁‑xyz之间的齐次变换矩阵通过两坐标系之间位置测量确定，为常数矩阵；所述的支撑端机器人基坐标系B₁‑xyz与支撑端机器人末端工具坐标系C₁‑xyz之间的齐次变换矩阵通过两坐标系之间相对位置测量确定，为常数矩阵；所述的刀具端机器人基坐标系B₂‑xyz与刀具端机器人末端工具坐标系C₂‑xyz之间的齐次变换矩阵通过两坐标系之间相对位置测量确定，为常数矩阵；所述的支撑端机器人末端工具坐标系C₁‑xyz与工件坐标系O‑xyz之间的齐次变换矩阵通过两坐标系之间相对位置测量确定，为常数矩阵；其特征在于还包括以下步骤：(2)求解支撑端机器人各主动关节参数，具体步骤如下：(a)薄壁工件装夹完毕后，对本工位下薄壁工件支撑表面进行激光扫描，获取薄壁工件支撑表面在工件坐标系O‑xyz下的支撑表面位置参数xp,yp,zp，并建立本工位下工件支撑表面数学模型，利用该工件支撑表面数学模型确定支撑表面各点对应的法向向量；(b)令初始位置在水平方向的支撑头先绕支撑头随动坐标系S‑xyz的X轴旋转转角Ap，再绕支撑头随动坐标系S‑xyz的Y轴旋转转角Bp，并使得支撑头末端到达位置参数为xp,yp,zp的支撑表面位置，得到工件坐标系O‑xyz下的支撑头的支撑参数xp,yp,zp,Ap,Bp，从而得到工件坐标系O‑xyz与支撑头随动坐标系S‑xyz之间的齐次变换矩阵OTS；(c)将支撑头在支撑表面各点处的支撑参数x_p,y_p,z_p,A_p,B_p分别乘以齐次矩阵得到支撑端机器人末端工具坐标系C₁‑xyz下的支撑头法向向量位姿参数x₁,y₁,z₁,A₁,B₁，式中x₁,y₁,z₁表示支撑头在支撑端机器人末端工具坐标系C₁‑xyz下的位置坐标，A₁,B₁表示支撑头从初始姿态依次绕支撑头随动坐标系S‑xyz的X轴和Y轴旋转至支撑点位置坐标x₁,y₁,z₁处法向的转角；(d)根据支撑端机器人末端工具坐标系C1‑xyz下的各个位姿参数x1,y1,z1,A1,B1，通过机器人运动学逆解模型得到支撑端机器人各主动关节的电机控制参数q1,q2,q3,θ4,θ5，其中q1,q2,q3分别为支撑端机器人3个并联主动支链的长度，θ4,θ5为支撑端机器人AC摆头的转角；(3)求解刀具端机器人各主动关节参数，具体步骤如下：(a)将支撑头随动坐标系S‑xyz绕其Y轴旋转180°，坐标原点沿其Z轴负方向平移距离d，得到支撑头随动坐标系S‑xyz与刀具虚拟坐标系V‑xyz之间的齐次变换矩阵STV，所述的d为工件理想壁厚，将所述的齐次变换矩阵OTS与齐次变换矩阵STV矩阵相乘得到工件坐标系O‑xyz和刀具虚拟坐标系V‑xyz之间的齐次矩阵OTV；(b)由矩阵乘法将^OT_V连乘得到刀具工具坐标系C₂‑xyz和刀具虚拟坐标系V‑xyz之间的齐次变换矩阵所述的齐次变换矩阵和互为逆矩阵；(c)令所述的刀具虚拟坐标系V‑xyz沿Z轴方向平移距离h，得到刀具随动坐标系T‑xyz，并得到刀具随动坐标系T‑xyz与刀具虚拟坐标系V‑xyz之间的齐次变换矩阵TTV，所述的h为工件实际壁厚和理想壁厚之差；(d)将齐次变换矩阵右乘^TT_V的逆矩阵得到刀具端机器人末端工具坐标系C₂‑xyz和刀具随动坐标系T‑xyz之间的齐次变换矩阵将齐次变换矩阵反求位姿参数得到刀具法向向量位姿参数x₂,y₂,z₂,A₂,B₂，式中x₂,y₂,z₂为刀具在刀具端机器人末端工具坐标系C₂‑xyz下的位置参数，A₂,B₂表示刀具从初始姿态依次绕刀具随动坐标系T‑xyz的X轴和Y轴旋转至与支撑头方向反向时的转角；(e)根据刀具端机器人末端工具坐标系C2‑xyz下的位姿参数x2,y2,z2,A2,B2，通过机器人运动学逆解模型得到刀具端机器人各主动关节的电机控制参数q6,q7,q8,θ9,θ10，其中q6,q7,q8分别为刀具端机器人3个并联主动支链的长度，θ9,θ10为刀具机器人AC摆头的转角；(4)等壁厚闭环控制，包括以下步骤：(a)将支撑端机器人和刀具端机器人各电机编码器读取的各主动关节参数和分别带入各自机器人运动学正解模型，分别得到在支撑端机器人末端工具坐标系C₁‑xyz下支撑头实际位姿参数和刀具端机器人末端工具坐标系C₂‑xyz下刀具实际位姿参数(b)根据得到的支撑头实际位姿参数确定支撑端机器人末端工具坐标系C₁‑xyz和支撑头随动坐标系S‑xyz之间的实际齐次变换矩阵齐次变换矩阵依次相乘得到支撑头随动坐标系S‑xyz和刀具端机器人末端工具坐标系C₂‑xyz之间的齐次变换矩阵所述的齐次变换矩阵和互为逆矩阵，将刀具实际位姿位置参数坐标乘以得到刀具末端在支撑头随动坐标系S‑xyz下的位置参数坐标x_s,y_s,z_s，所述x_s的绝对值表示刀具和支撑头末端在支撑头随动坐标系S‑xyz下在X轴方向的相对距离，y_s绝对值表示刀具和支撑头末端在支撑头随动坐标系S‑xyz下在Y轴方向的相对距离，z_s绝对值表示刀具和支撑头末端在支撑头随动坐标系S‑xyz下在Z轴方向的相对距离，z_s为此时工件实际壁厚；(c)将实际壁厚和理想壁厚相减得到差值h,如果差值h满足加工精度要求则进行工件待加工面的下一位置加工，若差值大于加工精度要求则将差值h带入步骤(3)的(c)中的TTV，重复执行步骤(3)中的(c)(d)(e)和步骤(4)，直至实际壁厚和理想壁厚之差h满足加工精度要求。