CN102501172B

CN102501172B - 用于机器人修磨系统的面向空间曲面加工的在位测量方法

Info

Publication number: CN102501172B
Application number: CN 201110373591
Authority: CN
Inventors: 宋亦旭; 吕洪波; 孙晓民
Original assignee: Tsinghua University
Current assignee: Tsinghua University
Priority date: 2011-11-22
Filing date: 2011-11-22
Publication date: 2013-10-23
Anticipated expiration: 2031-11-22
Also published as: CN102501172A

Abstract

本发明提供一种机器人修磨系统中面向高精度复杂曲面加工的在位测量方法，属于砂带磨削加工领域，该方法的主要步骤包括：选择和加工三个基准平面、测量系统在工件不动的条件下完成工件的测量、求取测量坐标系与工件坐标系的映射关系、求取磨削量和曲率、求取工件坐标系至机器人末端坐标系的映射关系、机器人运动路径规划、控制磨削参数完成磨削。本发明可用于解决已有系统中在位测量精度难以提高的问题，同时降低对夹具精度的要求，提高现有机器人修磨系统的精度。

Description

用于机器人修磨系统的面向空间曲面加工的在位测量方法

技术领域

本发明属于砂带磨削加工领域，特别涉及机器人修磨系统中面向高精度复杂曲面加工的在位测量方法。

背景技术

在机械加工中，磨削应用范围广范，在某些条件下往往只能采用磨削进行加工，比如表面粗糙度要求高或硬质材料等。磨削主要分为砂轮磨削和砂带磨削。与砂轮磨削相比，砂带磨削切削时的散热性较好，被加工面不易烧伤，表面冷硬程度和残余应力较小。同时，由于砂带和磨削接触轮有一定的弹性，砂带磨削更易于与加工面贴服，往往更适用于曲面加工。因此砂带磨削和砂轮加工一样，在机械加工领域中占有重要的地位。

砂带磨削在航空航天、国防、电力、船舶、医疗等多个领域具有广泛的应用背景，例如，涡轮机、船舶推进器、风力发电机等设备的叶片的加工。在日用产品中加工中，应用更是广泛，例如，各种贵术装饰品、人造关节、家庭装饰用品(水暖件、灯具等)、乐器和数码产品的外表面加工等。

国内外对于复杂曲面工件的砂带磨削加工，主要有基于普通砂带磨床的手工磨削、专用磨削机床和数控磨削机床等。基于普通砂带磨床的手工磨削费时且劳动强度大，加工成品率低，产品一致性差，对工人的技艺、经验等要求高；专用磨削机床通用性不好，适用范围窄，往往只适合大批量生产；数控磨削机床成本高，缺乏柔性，可拓展范围小。

近年来，随着工业机器人技术的发展和劳动力成本的不断上升，以机器人作为平台的加工方式引起了关注。机器人修磨指以串联式工业机器人作为工件移动平台，在高速旋转的砂带上进行磨削的加工方式。与市场上较为典型的五轴磨削加工机床相比，机器人修磨系统具有灵活性高、通用性强、易于扩展等优点，而且由于系统基于通用设备，造价和加工成本大大低于专用机床。

机器人修磨系统一般包括如下几个部分：

(1)砂带机：带动砂带做高速旋转，实现对工件进行磨削，实现砂带转速、砂带张紧力、甚至磨削力等磨削参数的设置或控制；

(2)机器人：一般为串联式工业机器人，腕部往往安装六维力传感器，用于作为工件的移动平台，可以控制磨削工件与砂带的接触力及工件加工速度；

(3)测量系统：用于测量工件待加工面的形貌（比如曲率）和磨削量，测量系统可以是接触式的，比如扫描探针，或者非接触式的，比如激光扫描设备；

(4)数据处理计算机：对测量系统数据、机器人路径数据、力反馈数据等进行处理。

目前，面向复杂曲面的机器人砂带磨削系统多用于打磨或抛光等不需要准确考虑磨削量的场合，需要精确考虑磨削量的机器人修磨系统仍处于实验室研究阶段。在研究和试用中发现，由于砂带和接触轮带有弹性，砂带磨削是一种非刚性加工，不能简单通过进给量来实现磨削量的控制，磨削量受磨削力、砂带转速、工件速度、砂带老化程度、工件材料、加工面表面形貌等多种因素影响，其中部分因素无法准确测控，这使得磨削量的精确控制往往只能通过多次磨削来逼近。因此，每磨削一次之后，需要对工件进行在位测量来决定下一次的磨削量。所以，在位测量的精度直接影响最后的加工能达到的精度。

部分已有的机器人修磨系统采用了在位测量技术，但是在位测量的过程中，往往直接通过机器人移动工件去完成整个加工面的测量。考虑到工业机器人的绝对精度往往大于1mm，重复精度一般也大于0.1mm；同时由于惯性力和工件重量等因素的影响，机器人在负载工件运动时容易产生振颤；此外，机器人基坐标系与测量坐标系间存在标定误差，这些误差影响因素都最终体现于在位测量结果中，使得在位测量的精度难以进一步提高。为了提高工件坐标系与机器人末端坐标系间的映射精度，机器人末端必须使用高精度的专用夹具，这对机器人修磨系统的柔性会带来影响。

发明内容

本发明的目的是针对上述现有技术存在的不足，提出一种用于机器人修磨系统的面向空间曲面加工的在位测量方法，可解决工业机器人运动误差、运动振颤、标定精度等对测量精度的影响，同时该方法不需要使用高精度专用夹具，采用多次修磨逼近的方法，可使整个机器人修磨系统达到更高的加工精度。

该方法的特征在于当机器人移动工件至测量工位后，在整个测量过程中，机器人停止不动，保持工件位姿不变，通过测量平台的运动来完成不同检测点的测量。为了便于与设计的标准模型做比较求取磨削量，也为了建立工件坐标系与机器人末端坐标系的映射关系，在工件修磨前需要加工三个不在同一平面的基准平面。该方法的技术方案可用通过以下步骤实现：

1)首先结合设计要求设定或加工出两两不同向的三个基准平面，然后把待加工的工件固定于机器人末端夹具上，并使该工件在整个加工、测量中在机器人末端夹具上的位置不变；

2)对工件进行一次加工，本次加工完成后，机器人移动工件至测量工位；

3)在测量工位上对工件的加工曲面进行测量，在一个完整的测量过程中机器人保持不动，通过测量系统的运动完成工件的测量；主要步骤如下：

i)测量系统通过移动非接触式或接触式测量探头，对三个基准平面和整个待加工曲面进行测量，得到测量坐标系{M}中的点云数据；

ii)对点云数据进行处理，得到三个基准平面的方程，并进一步求出三个基准平面的相交点，及三条相交直线，以相交点为原点、三条相交线为坐标轴建立仿射坐标系{W}作为工件坐标系，求出测量坐标系{M}与工件坐标系{W}的映射关系；

iii）通过映射关系

把测量坐标系{M}中的点云数据转换为工件坐标系{W}中的数据，并与工件的加工目标尺寸做比较，得到工件曲面上待加工点的磨削量；

iv)规划磨削路径，计算磨削点曲率；

v)计算工件坐标系{W}与机器人末端坐标系{n}的映射关系

{T =}_{W}^{n} T_{n - 1}^{n} \cdot \cdot \cdot \cdot \cdot T_{j}^{i} \cdot \cdot \cdot \cdot \cdot T_{0}^{1} \cdot {T_{M}^{0} \cdot T_{W}^{M}}

其中，

为测量坐标系至机器人基坐标系的映射关系；为机器人杆件j坐标系至杆件i坐标系的映射关系，1≤i≤n、0≤j≤n-1；

4)根据测量结果判断工件是否满足设计要求的加工精度，若工件合格，则结束加工

过程；否则机器人把工件移动至加工工位，转步骤2）进行下一次加工。

本发明的主要特点在于，该方法的磨削量测量精度只和测量系统精度相关，与机器人运动误差、工件夹具和测量坐标系至机器人基坐标系的标定误差无关，这样可以显著提高测量精度。目前，接触式的或非接触式的三维坐标测量机（CMM）的精度一般可到微米级，甚至更高。基于三维坐标测量机应用该方法进行在位测量，磨削量的测量精度可达十几微米，甚至几微米。从整个修磨系统的角度，机器人运动精度、测量坐标系至机器人基坐标系的标定误差和磨削坐标系至机器人基坐标系的标定误差只和修磨加工路径控制相关。考虑到，系统可采用多次逼近的修磨方法，同时曲面加工精度往往更侧重于加工点法向去除量，所以采用该在位测量方法可使机器人修磨系统的修磨精度提高一个数量级（由几百微米提高至几十微米）以上。

附图说明

图1为采用本发明方法的与夹具联接的待加工叶片示意图。

具体实施方式

结合附图和具体实施方式，以涡轮机叶片为例，通过与已有方法的对照，对本发明提出的方法作进一步详细说明。

本发明方法采用的机器人砂带修磨系统中，用多自由度三坐标测量机代替了固定的接触式或非接触式检测头，在一次完整的工件测量中，工件保持不动，通过坐标测量机的检测头移动完成测量。机器人磨削系统可分成三大部分：1）砂带磨削系统，由砂带磨削机、砂带磨削机控制器组成；2）机器人系统，一般由串联式工业机器人、机器人控制器及其相关传感器（比如力传感器等）组成；3）测量系统，由三维坐标测量机及数据处理计算机组成，数据处理计算机还和磨削机控制器、机器人控制器进行通信。待磨削工件通过夹具与机器人的末端连接。

本发明方法中，设，与磨削机底座固连的坐标系为工具坐标系{T}，与坐标测量机底座固连的坐标系为测量坐标系{M}，而机器人由n个杆件构成（n为正整数），其基坐标系为{0}，杆件的坐标系为{1}，以此类推，机器人末端坐标系为{n}。

本发明提出了一种在位测量方法，其特征及实现的关键就在于选择可测量的三个平面作为基准建立工具坐标系，直接建立测量空间坐标系与工件坐标系的映射关系，使待加工曲面的磨削量的测量不受

和

的影响。而在位测量系统的精度决定了机器人修磨系统可能达到的加工精度。

下面，结合图1说明工件坐标系基准平面的选择、工件坐标系建立方法和工件坐标系与测量坐标系映射关系的建立方法。

图1为一个实际的涡轮机叶片。为保持流体具有均匀的轴向速度、确保流场稳定、减少流体能量损失，涡轮机叶片从叶根到叶尖，扭角是变化的，从而造成叶片型面是一个不规则的空间曲面。在图1中，4为待加工的不规则复杂曲面。修磨中，待磨曲面需要和加工目标尺寸作比较，以求得磨削量；同时，需要描述工件与机器人末端坐标的映射关系，用于机器人修磨路径规划，所以需要定义工件坐标系{W}。

本发明对上述涡轮机叶片采用的方法是：

1）在修磨前，根据设计需要并结合后阶段加工工艺，设定工件上三个不在同一平面的平面1、2和3为基准平面（尽可能选择相互垂直或接近垂直的平面），对于图1所示工件，可选择待加工的叶片4根部榫头上的平面1、2和3为基准平面；然后把待加工的工件固定于机器人末端夹具上，并使该工件在整个加工、测量中在机器人末端夹具上的位置不变；

2）对工件进行一次加工，本次加工完成后，，机器人将叶片工件移动至测量工位；

3）在测量工位上对工件的加工曲面进行测量，在一个完整的测量过程中机器人保持不动，通过测量系统的运动完成工件的测量；测量过程如下：

i）用三坐标测量机对三个基准平面和整个待加工的叶片曲面进行测量，获得测量坐标系{M}中该叶片的点云数据；

ii）通过最小二乘拟合等方法对点云数据进行处理，求取平面1、2和3的解析式，进一步可求取这三个平面的交线O_WX_W、O_WY_W和O_WZ_W。以点O_W为原点、三条相交线O_WX_W、O_WY_W和O_WZ_W为坐标轴，建立工件坐标系{W}。{W}为一个工件坐标系，{W}中的任意一点P_W都可以由一个仿射坐标^W(x_P,y_P,z_P)唯一确定，并且满足式

\overset{&RightArrow;}{O_{W} P_{W}} = x_{P} \cdot \overset{&RightArrow;}{O_{W} X_{W}} + y_{P} \cdot \overset{&RightArrow;}{O_{W} Y_{W}} + z_{P} \cdot \overset{&RightArrow;}{O_{W} Z_{W}} .

一般地，可取O_WX_W、O_WY_W和O_WZ_W的长度为1，则在坐标系{W}中点O_W、X_W、Y_W和Z_W的坐标为(0,0,0)、(1,0,0)、(0,1,0)和(0,0,1)。设O_W、X_W、Y_W和Z_W在测量坐标系{M}中的坐标分别为

{(x_{O_{W}}, y_{O_{W}}, z_{O_{W}})}_{M}

、

{(x_{X_{W}}, y_{X_{W}}, z_{X_{W}})}_{M}

、

{(x_{Y_{W}}, y_{Y_{W}}, z_{Y_{W}})}_{M}

和

，则从工件坐标系{W}到测量坐标系的映射矩阵为

{{T =}_{W}^{M} [\begin{matrix} x_{X_{W}} - x_{O_{W}} & x_{Y_{W}} - x_{O_{W}} & x_{Z_{W}} - x_{O_{W}} & x_{O_{W}} \\ y_{X_{W}} - y_{O_{W}} & y_{Y_{W}} - y_{O_{W}} & y_{Z_{W}} - y_{O_{W}} & y_{O_{W}} \\ z_{X_{W}} - z_{O_{W}} & z_{Y_{W}} - z_{O_{W}} & z_{Z_{W}} - z_{O_{W}} & z_{O_{W}} \\ 0 & 0 & 0 & 1 \end{matrix}] .}

iii）取工件坐标系{W}为工件标准几何模型的参考坐标系，假设工件上任意一点P经过测量后得到坐标为^MP，则可以通过映射

{P = {(T_{W}^{M})}^{- 1}}_{W} \cdot P_{M}

转化为工件坐标系{W}中的坐标，通过和加工目标尺寸比较后，便可求得磨削量。从实际系统实验结果来看，本发明所提出方法相比于已有系统可提高修磨精度一个数量级，甚至更高。

iv）规划磨削路径，并计算磨削点曲率；

v)利用已知的机器人动力学模型和ii）中求得的求取工件坐标系{W}与机器人末端坐标系{n}的映射关系

{T =}_{W}^{n} T_{n - 1}^{n} \cdot \cdot \cdot \cdot \cdot T_{j}^{i} \cdot \cdot \cdot \cdot \cdot T_{0}^{1} \cdot {T_{M}^{0} \cdot T_{W}^{M}}

其中，

为测量坐标系至机器人基坐标系的映射关系；为机器人杆件j坐标系至杆件i坐标系的映射关系，1≤i≤n、0≤j≤n-1

4）根据测量结果判断工件是否满足设计要求的加工精度，若工件合格，则结束加工过程；否则机器人把工件移动至加工工位，转步骤2）进行下一次加工。

Claims

1.一种用于机器人修磨系统的面向空间曲面加工的在位测量方法，其特征在于：包括以下步骤：

ii)对点云数据进行处理，得到三个基准平面的方程，并进一步求出三个基准平面的相交点，及三条相交直线，以相交点为原点、三条相交线为坐标轴建立工件坐标系{W}，求出测量坐标系{M}与工件坐标系{W}的映射关系

iii）通过映射关系

iv)规划磨削路径，计算磨削点曲率；

v)计算工件坐标系{W}与机器人末端坐标系{n}的映射关系

{T =}_{n - 1}^{n}_{W}^{n} T \cdot \cdot \cdot \cdot \cdot T_{j}^{i} \cdot \cdot \cdot \cdot \cdot {T \cdot}_{0}^{1} T_{M}^{0} \cdot T_{W}^{M}

其中，

为测量坐标系至机器人基坐标系的映射关系；

为机器人杆件j坐标系至杆件i坐标系的映射关系，1≤i≤n、0≤j≤n-1；

4)根据测量结果判断工件是否满足设计要求的加工精度，若工件合格，则结束加工过程；否则机器人把工件移动至加工工位，转步骤2）进行下一次加工。