一种基于功能冗余特性的机器人加工优化方法及加工系统与流程

本发明涉及利用机器人加工，具体涉及一种基于功能冗余特性的机器人加工优化方法及加工系统。

背景技术：

1、六自由度工业机器人在光学加工和机械加工领域得到愈加广泛的应用，与传统数控机床相比具有低成本-性能比、工作空间大、灵巧度好、集成化程度高以及多自由度等优点，但是也不可避免的存在一些的缺点。例如关于刚度的问题：机器人刚度较低，会在加工力作用下产生受力变形，显著降低加工精度；机器人构形沿着加工路径不断变化，导致机器人加工系统刚度连续变化，使得工件沿着加工路径的受力变形不一致；低刚度特征使得机器人加工系统的动力学特性变差，变刚度特征导致机器人加工系统动力学具有时变性，使得抑制刀具与工件间的颤振变得非常困难。

2、为了补偿机器人在加工系统的低刚度，可以通过机器人的功能冗余特性改变机器人构形，从而提升机器人加工系统的刚度。机器人刚度性能指标可以在加工之前评价机器人在主轴方向的刚度性能，如果满足加工要求，可以进行机器人加工；如果不满足要求，能够及时调整机器人冗余轴角度，优化机器人加工方案。

3、但是，目前评价机器人刚度性能的指标有：平移顺应性指标、椭球体积、加工平面椭圆面积以及瑞利熵等，普遍不具有方向性，无法准确评价机器人当前姿态下特定方向上的刚度性能，并且存在机器人奇异姿态附近指标值模糊、不准确或丢失等问题，平移顺应性指标和加工平面椭圆面积指标平滑性不好，限制了在机械和光学加工过程中的应用，导致上述指标无法满足机器人加工的基本需求。

4、基于此，本领域技术人员亟需提出了一种基于功能冗余特性的机器人加工优化方法以解决上述技术问题。

技术实现思路

1、因此，本发明要解决的技术问题在于克服上述现有技术中的存在缺陷，从而提供一种基于功能冗余特性的机器人加工优化方法及加工系统。

2、一种基于功能冗余特性的机器人加工优化方法，包括以下步骤：

3、公式推导获取用于表示机器人末端主轴方向的刚度性能的刚度性能评价指标；

4、基于机器人的功能冗余特性和刚度性能评价指标，建立机器人刚度性能姿态优化模型；

5、机器人刚度性能姿态优化模型：

6、(12)；

7、式中，表示机器人的关节角度，表示机器人最大刚度性能指标的姿态，表示机器人的逆运动学，表示机器人加工系统的冗余轴角度，表示经逆运动学求解之后的机器人姿态，表示机器人第个关节的角度，表示机器人的正运动学。

8、优选的，公式推导获取刚度性能评价指标，具体包括以下步骤：

9、将机器人笛卡尔刚度矩阵进行逆矩阵转换得到柔度矩阵的形式；

10、基于旋转位移＜＜线性位移，因此忽略柔度矩阵中耦合子矩阵和旋转子矩阵，获得线性位移的公式；

11、将线性位移的公式带入机器人末端线性位移公式中得到：（7）；式中，是末端外力、为平移子矩阵；

12、将合并为一个全新的矩阵，得到（8），展开后为：

13、（10）；

14、式中，、和均为矩阵的元素，、和为矩阵的元素。

15、优选的，刚度性能指标表达式为：

16、(11)。

17、优选的，基于旋转位移＜＜线性位移，因此忽略柔度矩阵中耦合子矩阵和旋转子矩阵，获得线性位移的公式，具体包括：

18、由于旋转位移＜＜线性位移，因此耦合子矩阵和旋转子矩阵忽略不计，得到线性位移的表达式如下：

19、(4)；

20、进一步扩展为：

21、(5)。

22、优选的，将线性位移的公式带入机器人末端线性位移公式中得到：（7），具体包括：

23、是末端外力，假设机器人末端线性位移为：

24、(6)；

25、将公式（4）代入到公式（6）中，得到：

26、(7)。

27、一种基于功能冗余特性的机器人加工系统，工作时应用基于功能冗余特性的机器人加工优化方法实现机器人加工系统末端刚度的可视化；

28、所述机器人加工系统包括：机器人本体、末端执行器和工作台，其中末端执行器通过螺栓与机器人本体末端法兰固定，工件通过压板固定在工作台上；末端执行器沿预设加工路径对工件进行加工。

29、优选的，刚度性能评价指标的物理意义是机器人末端刚度椭球中心点以工作台上工件法线方向的矢量与刚度椭球的相交的截线段的长度，表示为矢量方向上产生单位线性位移所需的力。

30、本发明技术方案，具有如下优点：

31、1.本发明提供的加工优化方法，可以显著提升机器人加工系统刚度的计算速度，所提出的刚度性能评价指标具有方向性，可以显著提升机器人加工系统精度，实现了机器人加工系统末端刚度的可视化，可以准确直观地评价机器人的刚度性能。

32、2.本发明提供的加工系统，加工系统构成简单，只需改变机器人冗余轴角度即可实现对加工系统刚度的优化，方便操作，编程简易，可以显著提升机器人加工系统刚度的计算速度。

33、3.本发明提供的刚度性能评价指标，实现了特定方向的机器人刚度求解，使得所提出的刚度性能评价指标具有方向性，提高了效率，消除了现有指标的变化不平滑和机器人奇异位姿附近指标值丢失、不准确或模糊等误差影响，可以显著提升机器人加工系统精度。

1.一种基于功能冗余特性的机器人加工优化方法，其特征在于，包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的基于功能冗余特性的机器人加工优化方法，其特征在于，公式推导获取刚度性能评价指标，具体包括以下步骤：

3.根据权利要求2所述的基于功能冗余特性的机器人加工优化方法，其特征在于，刚度性能指标表达式为：

4.根据权利要求2所述的基于功能冗余特性的机器人加工优化方法，其特征在于，基于旋转位移＜＜线性位移，因此忽略柔度矩阵中耦合子矩阵和旋转子矩阵，获得线性位移的公式，具体包括：

5.根据权利要求4所述的基于功能冗余特性的机器人加工优化方法，其特征在于，将线性位移的公式带入机器人末端线性位移公式中得到：（7），具体包括：

6.一种基于功能冗余特性的机器人加工系统，其特征在于，工作时应用权利要求1-5所述的基于功能冗余特性的机器人加工优化方法实现机器人加工系统末端刚度的可视化；

7.根据权利要求6所述的基于功能冗余特性的机器人加工系统，其特征在于，刚度性能评价指标的物理意义是机器人末端刚度椭球中心点以工作台（5）上工件法线方向的矢量与刚度椭球的相交的截线段的长度，表示为矢量方向上产生单位线性位移所需的力。