本發(fā)明涉及利用機(jī)器人加工，具體涉及一種基于功能冗余特性的機(jī)器人加工優(yōu)化方法及加工系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

1、六自由度工業(yè)機(jī)器人在光學(xué)加工和機(jī)械加工領(lǐng)域得到愈加廣泛的應(yīng)用，與傳統(tǒng)數(shù)控機(jī)床相比具有低成本-性能比、工作空間大、靈巧度好、集成化程度高以及多自由度等優(yōu)點(diǎn)，但是也不可避免的存在一些的缺點(diǎn)。例如關(guān)于剛度的問(wèn)題：機(jī)器人剛度較低，會(huì)在加工力作用下產(chǎn)生受力變形，顯著降低加工精度；機(jī)器人構(gòu)形沿著加工路徑不斷變化，導(dǎo)致機(jī)器人加工系統(tǒng)剛度連續(xù)變化，使得工件沿著加工路徑的受力變形不一致；低剛度特征使得機(jī)器人加工系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)特性變差，變剛度特征導(dǎo)致機(jī)器人加工系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)具有時(shí)變性，使得抑制刀具與工件間的顫振變得非常困難。

2、為了補(bǔ)償機(jī)器人在加工系統(tǒng)的低剛度，可以通過(guò)機(jī)器人的功能冗余特性改變機(jī)器人構(gòu)形，從而提升機(jī)器人加工系統(tǒng)的剛度。機(jī)器人剛度性能指標(biāo)可以在加工之前評(píng)價(jià)機(jī)器人在主軸方向的剛度性能，如果滿(mǎn)足加工要求，可以進(jìn)行機(jī)器人加工；如果不滿(mǎn)足要求，能夠及時(shí)調(diào)整機(jī)器人冗余軸角度，優(yōu)化機(jī)器人加工方案。

3、但是，目前評(píng)價(jià)機(jī)器人剛度性能的指標(biāo)有：平移順應(yīng)性指標(biāo)、橢球體積、加工平面橢圓面積以及瑞利熵等，普遍不具有方向性，無(wú)法準(zhǔn)確評(píng)價(jià)機(jī)器人當(dāng)前姿態(tài)下特定方向上的剛度性能，并且存在機(jī)器人奇異姿態(tài)附近指標(biāo)值模糊、不準(zhǔn)確或丟失等問(wèn)題，平移順應(yīng)性指標(biāo)和加工平面橢圓面積指標(biāo)平滑性不好，限制了在機(jī)械和光學(xué)加工過(guò)程中的應(yīng)用，導(dǎo)致上述指標(biāo)無(wú)法滿(mǎn)足機(jī)器人加工的基本需求。

4、基于此，本領(lǐng)域技術(shù)人員亟需提出了一種基于功能冗余特性的機(jī)器人加工優(yōu)化方法以解決上述技術(shù)問(wèn)題。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、因此，本發(fā)明要解決的技術(shù)問(wèn)題在于克服上述現(xiàn)有技術(shù)中的存在缺陷，從而提供一種基于功能冗余特性的機(jī)器人加工優(yōu)化方法及加工系統(tǒng)。

2、一種基于功能冗余特性的機(jī)器人加工優(yōu)化方法，包括以下步驟：

3、公式推導(dǎo)獲取用于表示機(jī)器人末端主軸方向的剛度性能的剛度性能評(píng)價(jià)指標(biāo)；

4、基于機(jī)器人的功能冗余特性和剛度性能評(píng)價(jià)指標(biāo)，建立機(jī)器人剛度性能姿態(tài)優(yōu)化模型；

5、機(jī)器人剛度性能姿態(tài)優(yōu)化模型：

6、(12)；

7、式中，表示機(jī)器人的關(guān)節(jié)角度，表示機(jī)器人最大剛度性能指標(biāo)的姿態(tài)，表示機(jī)器人的逆運(yùn)動(dòng)學(xué)，表示機(jī)器人加工系統(tǒng)的冗余軸角度，表示經(jīng)逆運(yùn)動(dòng)學(xué)求解之后的機(jī)器人姿態(tài)，表示機(jī)器人第個(gè)關(guān)節(jié)的角度，表示機(jī)器人的正運(yùn)動(dòng)學(xué)。

8、優(yōu)選的，公式推導(dǎo)獲取剛度性能評(píng)價(jià)指標(biāo)，具體包括以下步驟：

9、將機(jī)器人笛卡爾剛度矩陣進(jìn)行逆矩陣轉(zhuǎn)換得到柔度矩陣的形式；

10、基于旋轉(zhuǎn)位移＜＜線性位移，因此忽略柔度矩陣中耦合子矩陣和旋轉(zhuǎn)子矩陣，獲得線性位移的公式；

11、將線性位移的公式帶入機(jī)器人末端線性位移公式中得到：（7）；式中，是末端外力、為平移子矩陣；

12、將合并為一個(gè)全新的矩陣，得到（8），展開(kāi)后為：

13、（10）；

14、式中，、和均為矩陣的元素，、和為矩陣的元素。

15、優(yōu)選的，剛度性能指標(biāo)表達(dá)式為：

16、(11)。

17、優(yōu)選的，基于旋轉(zhuǎn)位移＜＜線性位移，因此忽略柔度矩陣中耦合子矩陣和旋轉(zhuǎn)子矩陣，獲得線性位移的公式，具體包括：

18、由于旋轉(zhuǎn)位移＜＜線性位移，因此耦合子矩陣和旋轉(zhuǎn)子矩陣忽略不計(jì)，得到線性位移的表達(dá)式如下：

19、(4)；

20、進(jìn)一步擴(kuò)展為：

21、(5)。

22、優(yōu)選的，將線性位移的公式帶入機(jī)器人末端線性位移公式中得到：（7），具體包括：

23、是末端外力，假設(shè)機(jī)器人末端線性位移為：

24、(6)；

25、將公式（4）代入到公式（6）中，得到：

26、(7)。

27、一種基于功能冗余特性的機(jī)器人加工系統(tǒng)，工作時(shí)應(yīng)用基于功能冗余特性的機(jī)器人加工優(yōu)化方法實(shí)現(xiàn)機(jī)器人加工系統(tǒng)末端剛度的可視化；

28、所述機(jī)器人加工系統(tǒng)包括：機(jī)器人本體、末端執(zhí)行器和工作臺(tái)，其中末端執(zhí)行器通過(guò)螺栓與機(jī)器人本體末端法蘭固定，工件通過(guò)壓板固定在工作臺(tái)上；末端執(zhí)行器沿預(yù)設(shè)加工路徑對(duì)工件進(jìn)行加工。

29、優(yōu)選的，剛度性能評(píng)價(jià)指標(biāo)的物理意義是機(jī)器人末端剛度橢球中心點(diǎn)以工作臺(tái)上工件法線方向的矢量與剛度橢球的相交的截線段的長(zhǎng)度，表示為矢量方向上產(chǎn)生單位線性位移所需的力。

30、本發(fā)明技術(shù)方案，具有如下優(yōu)點(diǎn)：

31、1.本發(fā)明提供的加工優(yōu)化方法，可以顯著提升機(jī)器人加工系統(tǒng)剛度的計(jì)算速度，所提出的剛度性能評(píng)價(jià)指標(biāo)具有方向性，可以顯著提升機(jī)器人加工系統(tǒng)精度，實(shí)現(xiàn)了機(jī)器人加工系統(tǒng)末端剛度的可視化，可以準(zhǔn)確直觀地評(píng)價(jià)機(jī)器人的剛度性能。

32、2.本發(fā)明提供的加工系統(tǒng)，加工系統(tǒng)構(gòu)成簡(jiǎn)單，只需改變機(jī)器人冗余軸角度即可實(shí)現(xiàn)對(duì)加工系統(tǒng)剛度的優(yōu)化，方便操作，編程簡(jiǎn)易，可以顯著提升機(jī)器人加工系統(tǒng)剛度的計(jì)算速度。

33、3.本發(fā)明提供的剛度性能評(píng)價(jià)指標(biāo)，實(shí)現(xiàn)了特定方向的機(jī)器人剛度求解，使得所提出的剛度性能評(píng)價(jià)指標(biāo)具有方向性，提高了效率，消除了現(xiàn)有指標(biāo)的變化不平滑和機(jī)器人奇異位姿附近指標(biāo)值丟失、不準(zhǔn)確或模糊等誤差影響，可以顯著提升機(jī)器人加工系統(tǒng)精度。

技術(shù)特征：

1.一種基于功能冗余特性的機(jī)器人加工優(yōu)化方法，其特征在于，包括以下步驟：

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于功能冗余特性的機(jī)器人加工優(yōu)化方法，其特征在于，公式推導(dǎo)獲取剛度性能評(píng)價(jià)指標(biāo)，具體包括以下步驟：

3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的基于功能冗余特性的機(jī)器人加工優(yōu)化方法，其特征在于，剛度性能指標(biāo)表達(dá)式為：

4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的基于功能冗余特性的機(jī)器人加工優(yōu)化方法，其特征在于，基于旋轉(zhuǎn)位移＜＜線性位移，因此忽略柔度矩陣中耦合子矩陣和旋轉(zhuǎn)子矩陣，獲得線性位移的公式，具體包括：

5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的基于功能冗余特性的機(jī)器人加工優(yōu)化方法，其特征在于，將線性位移的公式帶入機(jī)器人末端線性位移公式中得到：（7），具體包括：

6.一種基于功能冗余特性的機(jī)器人加工系統(tǒng)，其特征在于，工作時(shí)應(yīng)用權(quán)利要求1-5所述的基于功能冗余特性的機(jī)器人加工優(yōu)化方法實(shí)現(xiàn)機(jī)器人加工系統(tǒng)末端剛度的可視化；

7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的基于功能冗余特性的機(jī)器人加工系統(tǒng)，其特征在于，剛度性能評(píng)價(jià)指標(biāo)的物理意義是機(jī)器人末端剛度橢球中心點(diǎn)以工作臺(tái)（5）上工件法線方向的矢量與剛度橢球的相交的截線段的長(zhǎng)度，表示為矢量方向上產(chǎn)生單位線性位移所需的力。

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明涉及利用機(jī)器人加工技術(shù)領(lǐng)域，公開(kāi)了一種基于功能冗余特性的機(jī)器人加工優(yōu)化方法和加工系統(tǒng)，機(jī)器人加工優(yōu)化方法包括以下步驟：公式推導(dǎo)獲取剛度性能評(píng)價(jià)指標(biāo)；基于機(jī)器人的功能冗余特性和剛度性能評(píng)價(jià)指標(biāo)，建立機(jī)器人剛度性能姿態(tài)優(yōu)化模型。本發(fā)明的剛度性能評(píng)價(jià)指標(biāo)能夠可視化展示并實(shí)時(shí)評(píng)價(jià)機(jī)器人主軸方向的剛度性能，代表了機(jī)器人末端抵抗變形的阻力。優(yōu)點(diǎn)在于整個(gè)加工系統(tǒng)構(gòu)成簡(jiǎn)單，方便操作，編程簡(jiǎn)易，顯著提升了機(jī)器人加工系統(tǒng)剛度的計(jì)算速度，所提出的剛度性能評(píng)價(jià)指標(biāo)具有方向性，顯著提升了機(jī)器人加工系統(tǒng)精度，實(shí)現(xiàn)了機(jī)器人加工系統(tǒng)末端剛度的可視化，并準(zhǔn)確直觀地評(píng)價(jià)機(jī)器人的剛度性能。

技術(shù)研發(fā)人員：高軻,李巖,葉明,郭鑫壘,靳宏偉,崔金鵬
受保護(hù)的技術(shù)使用者：長(zhǎng)光衛(wèi)星技術(shù)股份有限公司
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2024/12/10