CN102689238B - 机器人表面精加工的智能自动化 - Google Patents

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Abstract

本公开涉及机器人表面精加工的智能自动化。描述了用于工件三维表面的机器人表面精加工的智能自动化。三维运动路径是沿工件的表面创建的。可变接触力轮廓是沿该三维运动路径指定的。该三维运动路径是基于所指定的可变接触力轮廓修改的。工件的表面是利用一种或多种表面精加工工具沿修改后的三维运动路径精加工的。工件的表面包括至少一个平坦区域和一个弯曲的区域。

Description

机器人表面精加工的智能自动化
技术领域
本发明总体上涉及三维物体的机器人表面精加工。特别地，描述了用于机器人表面精加工三维物体表面以便在三维复杂形状上产生期望的表面精加工的智能自动化的方法、装置与系统。
背景技术
大批量制造的电子设备的增殖促进了用于包装这种设备的封装在功能性和美观设计实践两方面的创新。所制造的设备可以包括提供设备用户所期望的符合人体工程学的形状和美观视觉外观的部件。一种代表性的部件可以包括用于所制造设备的外壳；但是，这里所描述的实施方式也可以同等地应用到具有复杂表面并且需要严格一致表面精加工的其它三维物体。其它代表性的部件可以包括汽车车身面板、涡轮叶片、医疗植入体，等等。这些部件可以由多种材料构成，包括金属、金属合金、陶瓷、塑料和其它适于容纳电子部件的材料。电子设备的部件的外表面可以由一个或多个多轴机器人与计算机数控机械的组合来成形，而且可以既包括两维平坦区域又包括三维弯曲区域。外部件的精加工会需要精确和可重复的结果，来最小化该部件外表面的表面变化。表面精加工过程中的不完善会导致部件具有不可接受的外观或者，在有些情况下，被损害的机械完整性。
除了获得高质量、可重复结果的精加工，大批量制造还会需要部件精加工的最小时间。精加工部件不同区域的多个独立工具会需要比使用较少精加工工具时更多的附加制造时间，其中所述较少的精加工工具能够对平坦区域和三维弯曲区域都产生期望的精加工。为精加工工具确定三维运动路径和沿该三维运动路径施加到部件表面的适当接触力会需要大量的计算机模拟，来为部件获得一致的机械和一致的精 加工表面。精加工工具可以跨三维部件的不同区域接触可变的表面区域，而且，如果精加工工具的接触不是在整个精加工过程中持续调整，则会导致可变的精加工，而不是一致的精加工。“离线的”三维运动路径计算和“实时的”动态路径调整可以组合起来，改善具有期望的表面精加工外观的表面精加工，而且还可以为大批量制造提供部件的一致机械属性。因此，存在对用于部件三维表面的机器人表面精加工的智能自动化从而导致一致的机械和可视表面精加工的方法、装置和系统的需求。
发明内容
在一种实施方式中，描述了用于成形物体的三维外表面的装置。该装置包括至少以下部件：精加工工具和定位组件。精加工工具配置成以设定的旋转速度旋转，以便磨擦物体表面的多个区域。定位组件配置成使精加工工具沿规定的路径接触物体表面的多个区域。所述物体表面的多个区域包括至少一个平坦区域和至少一个弯曲区域。定位组件沿规定路径利用可变的接触力轮廓(profile)使物体的表面接触精加工工具。
在一种实施方式中，描述了用于为精加工工具确定三维运动路径的方法。该方法包括至少以下步骤。创建物体的三维计算机辅助设计模型。选择所述计算机辅助设计模型表面的两个或多个区域上的一系列点和朝向。通过连接所选的一系列点和朝向创建三维运动路径。计算精加工工具与计算机辅助设计模型表面之间沿所述三维运动路径的接触轮廓。所述三维运动路径是基于所计算出的接触轮廓进行调整的。物体的所述两个或多个区域包括至少一个平面区域和至少一个弯曲区域。
在一种实施方式中，描述了用于为精加工工具确定三维运动路径的方法。该方法包括至少以下步骤。为精加工工具创建沿工件的三维计算机辅助设计模型表面的第一条三维运动路径。估计精加工工具与工件之间沿该第一条三维运动路径的可变接触压力轮廓。基于所估计 出的可变接触压力轮廓与所述第一条三维运动路径计算第二条三维运动路径。该第二条三维运动路径在精加工工具与工件的两个或多个表面之间具有大致恒定的接触压力轮廓。
在一种实施方式中，描述了在非暂时性计算机可读介质中编码的计算机程序代码，所述代码用于成形物体的三维表面。该计算机程序代码包括至少以下计算机程序代码的片段。用于确定沿物体表面的额定三维运动路径的计算机程序代码。用于沿该额定运动路径操作精加工工具的计算机程序代码。用于测量由精加工工具上的精加工介质沿所述额定运动路径施加到物体表面上的实际力向量的计算机程序代码。用于比较所测量出的实际力向量与目标可变力向量的计算机程序代码。用于计算对所述额定运动路径的路径调整以便实现目标力向量的计算机程序代码。用于调整所述额定运动路径的计算机程序代码。
附图说明
通过参考以下描述并结合附图，本发明及其优点可以得到最好的理解。
图1说明了用于机器人表面精加工的智能自动化中的多个阶段。
图2A-B说明了现有技术的两维研磨系统。
图3说明了布置成用于工件的机器人两维研磨的装置。
图4说明了布置成用于工件的机器人三维研磨的图3装置。
图5说明了布置成用于工件的机器人两维表面精加工的装置。
图6说明了布置成用于工件的机器人三维表面精加工的图5装置。
图7说明了用于工件的机器人三维表面精加工的另一种装置。
图8A和8B说明了用于为机器人表面精加工工具确定三维运动路径的代表性方法。
图9说明了用于为机器人表面精加工工具创建三维运动路径的另一种代表性方法。
图10说明了用于为机器人表面精加工工具精炼(refine)三维运 动路径的代表性方法。
图11说明了用于智能自动化的机器人表面精加工的代表性方法。
图12说明了用于三维运动路径生成的几种代表性信息输入组合。
图13说明了具有特定路径形状属性的几种代表性三维运动路径。
图14说明了可变力的大小图。
图15说明了用于修改三维运动路径的代表性方法。
图16说明了用于目标力向量的响应时间校正。
图17说明了修改三维运动路径的另一种代表性方法.
具体实施方式
本发明总体上涉及三维物体的机器人表面精加工。更特别地，描述了用于三维物体外表面机器人表面精加工以便在三维复杂形状上产生期望表面精加工的智能自动化的方法、装置与系统。
在以下描述中，阐述了各种具体细节，以便提供对本发明的透彻理解。但是，很显然，对本领域技术人员来说，本发明可以没有这些具体细节中的一些或全部来实践。在其它情况下，为了避免模糊本发明，众所周知的过程步骤没有被具体描述。
大批量制造的电子设备可以包括具有各种几何成形表面的计算机数控(CNC)机加工零件。所述机加工零件可以利用一种或多种机器人工具来精加工，包括利用例如研磨、砂纸打磨和抛光零件一个或多个表面的表面精加工过程。具有代表性的电子设备可以包括便携式媒体播放器、便携式通信设备和便携式计算设备，例如  和MacBook 及桌面产品，包括 和Mac 及由位于加州Cupertino的Apple公司制造的其它电子设备。电子设备的触觉和视觉外观都可以增强消费者对电子设备的需求。这里讨论的实施方式可以同等地应用到所使用的不同材料。多种材料可以用于电子设备，包括金属、金属合金、陶瓷、塑料及其它合适的材料。金属和金属合金可以提供呈现期望属性的轻型材料，例如很适于电子设备部件的强度和热传导性。具有代表性的金属可以包括铝，而具有代表性 的金属合金可以包括铝合金。由金属或金属合金机加工而成的装饰性外层可以切割成期望的形状并精加工成期望的反光和/或无光泽表面精加工外观。在有些实施方式中，具有一致平滑视觉外观的连续平滑形状是期望的。
大批量制造需要最小的处理时间，以便增加制造吞吐量。通过使用需要最小数量精加工工具的方法来精加工机加工零件会减少所需的处理时间。利用一组公共的机器人工具精加工机加工零件的平坦表面和弯曲表面可以提供具有视觉上平滑精加工的精加工部件，在具有不同横截面的区段之间没有视觉上可以分辨出的断开。弯曲的区域可以平滑地过渡到平坦区域，包括沿角落区域，而没有表面外观上任何可见的变化。除了表面外观，严格一致的表面精加工也是复杂成形三维机加工零件的机械完整性所需要的。为了在对三维表面应用精加工工具时获得一致的表面精加工，精加工工具与机加工零件表面的接触力和被该精加工工具覆盖的接触面积都要考虑。精加工工具的接触面积会沿三维运动路径而变，而沿该三维运动路径施加的接触力可以“离线地”(预先计算)和“联机地(on the fly)”(实时计算)调整，以便获得指定的接触力轮廓。某些表面精加工过程，例如传统的研磨过程，可以常规地应用到两维表面，但可能不能很好地适用于三维表面。沿三维运动路径利用近似恒定的压力(接触力/单位面积)，而不是利用恒定的接触力，对零件进行表面精加工可以产生期望的一致的机械和视觉表面精加工。为了产生大致恒定的压力，对机器人表面精加工工具沿该三维运动路径的可变接触压力轮廓可以用于产生具有期望外观、形状和机械属性的精加工表面零件。
这里所述的方法可以应用到多种表面精加工过程，包括研磨、砂纸打磨和抛光(磨光)。研磨可以认为是一种在具有特定形状的工件上产生平滑表面精加工的过程，这个特定形状通常是平坦的，但这里也描述了三维形状。砂纸打磨可以认为是一种从工件除去材料以便产生具有期望纹理精加工的表面的过程，可以是无光泽的或者是反光的。不同等级的砂纸打磨材料可以用于产生不同的纹理精加工。抛光可以 认为是除去材料以便产生没有划痕的镜面反光表面。抛光可以使用比砂纸打磨更精细等级的研磨材料。依赖于所使用的材料，每种表面精加工过程都可以产生从粗糙到精细到极端平滑和反光表面的大范围表面精加工。这里所描述的实施方式可以应用到多种表面精加工过程，而且概述的具体过程仅仅是作为代表性实施方式给出的，而没有任何刻意的限制。
图1说明了可以用于工件机器人表面精加工的智能自动化的一组阶段100，其中的工件可以由多种不同材料中的任何一种制成。工件可以包括金属或金属合金工件。在这里的讨论中，术语“工件”、部件、零件和物体可以同等地指任何部分机加工的三维物体，这些物体可以利用一种或多种表面精加工过程被精加工成获得一致的机械和视觉表面精加工。表面精加工过程步骤可以包括几种不同表面精加工过程中的至少一个或多个，所述表面精加工过程包括但不限于研磨、砂纸打磨和抛光。金属或金属合金坯料到未精加工机加工零件的机械磨削或成形可以在表面精加工过程步骤之前，其中表面精加工过程步骤可以产生具有期望表面精加工外观、形状和机械属性的金属或金属合金工件。机器人表面精加工工具，例如计算机数控(CNC)机器或者多轴机器人手臂，可以沿未精加工的机加工零件的表面应用磨料，以便以受控的方式除去材料并产生期望的形状和外观，对于机加工零件的精加工版本具有规定的机械属性。当精加工机加工零件的表面时，机器人表面精加工工具可以沿所述运动控制路径在朝着各个角度的一个或多个维度(一般是三维)遵循运动控制路径。
智能自动化的第一阶段可以包括机器人路径创建102，这可以为机器人表面精加工工具确定沿机加工零件表面所遵循的初始三维运动路径。智能自动化的第二阶段可以包括机器人路径修改108，这可以相对于零件的表面精炼由机器人表面精加工工具所采取的三维运动路径，以便产生期望的精加工结果。机器人路径修改108可以基于沿所述三维运动路径的变量的轮廓，该轮廓可以通过模拟和/或实验“离线”生成。智能自动化的第三阶段可以包括机器人路径执行116，这可以 控制位置、角度、速度、速度及当接触零件表面时会影响由机器人表面精加工工具对材料去除的其它因素中的一个或多个。力反馈控制可以用于测量机器人表面精加工工具到零件表面的力并“实时”修改一个或多个机器人因素。智能自动化的最后一个阶段可以包括三维运动路径到一个或多个表面精加工过程的机器人路径应用120。一系列过程可以用于产生具有期望表面精加工外观、形状和机械属性的零件。
对于机器人表面精加工的智能自动化的第一阶段，机器人路径创建阶段102可以通过一种或多种不同方法为机器人表面精加工工具产生三维运动路径。该三维运动路径可以包括捕捉六自由度的六个不同变量，这六个变量可以表示在离散时间点的平移位置(x，y，z)和角定向(rX，rY，rZ)，即，关于(x，y，z)轴中每一个的旋转。(角定向也可以称为偏航、俯仰和滚转。)机器人路径创建阶段102可以包括“CAD模型”路径生成步骤106，该步骤使用要精加工的零件的计算机辅助设计(CAD)模型来生成如接下来所描述的路径。机器人路径创建阶段102还可以包括“接触教”路径生成步骤104，该步骤使用实际的机器人和样本零件(或者其部分)来生成如以下所描述的机器人路径。
在CAD模型路径生成步骤106中，可以基于要精加工的零件的三维CAD模型开发三维运动路径。该CAD模型可以包括该零件在精加工之前和/或之后所采取的代表性形状。该CAD模型可以输入到用于为所关联的机器人确定三维运动路径的一个或多个软件工具中。具有代表性的机器人可以包括可以操纵表面精加工工具的多轴机器人手臂。利用软件工具，用户可以选择所述三维CAD模型上的一系列点。作为替代，用户可以在该三维CAD模型上覆盖一条规定的路径或者一组规定的路径片段。在该三维CAD模型上的每个点，所述表面精加工工具的一个区段可以接触零件的表面。这些点沿具有可变形状的零件表面的区域可能靠得更近，例如沿弯曲边缘或者在零件的角落区域。这些点沿具有更一致形状的零件表面的区域可能隔开得更远，例如沿平的底部区域和/或平的顶部区域。
通过(1)连接这一系列点的子集，(2)连接路径片段的子集及 (3)直接使用放在三维CAD模型上的规定路径或者其任意组合，软件工具可以生成一条或多条连续的三维运动路径。机器人手臂可以握住表面精加工工具而且可以遵循所生成的(或者规定的)三维运动路径来磨擦，并由此精加工具有所述三维CAD模型形状的实际零件的表面。通过CAD模型路径生成步骤106生成三维运动路径可能是耗时的而且可能需要大量实验来实现期望的精加工表面结果。利用人类可以用来磨擦、成形、砂纸打磨、抛光和/或磨光零件的精加工运动的知识，可以利用接下来描述的“接触教”模型路径生成步骤104来开发用于机器人表面精加工的替代性开始路径。
为使用多轴机器人手臂的机器人表面精加工工具编程三维运动路径可以通过“教”机器人一系列机器人手臂要采取的位置和朝向来实现。在一种实施方式中，输入所述系列位置与朝向可以通过在一段时间内操纵多轴机器人手臂的末端并记录该多轴机器人手臂末端的位置与朝向用作结果三维运动路径来实现。这种操纵可以称为“牵着鼻子走”，因为机器人手臂的“鼻子”端可以在需要的时候被推、拉、扭曲和转动，以实现期望的精加工运动。所记录的系列位置和朝向可以随后在软件中“调整”，以便平滑“过渡”，来精炼朝向并“微调”速度和位置。在一种实施方式中，用户可以在部分或完全精加工后的零件表面的区域上操纵机器人手臂，来生成路径区段。所述区域可以代表要精加工的整个零件，例如包括导大致对称的矩形零件的一个角落的四分之一区段。覆盖要精加工的整个零件的完整路径可以通过利用合适的朝向复制为所述零件区域生成的路径区段的精炼版本来创建。
由CAD模型路径创建步骤106创建的或者由触摸教路径创建步骤104捕捉的三维运动路径可以包括在一系列时刻的一系列位置和朝向。沿所捕捉到的路径的位置的精炼可以包括平滑该路径的轨道和按如期望那样精确的隔开该轨道，例如靠得更近、隔开更远，具有更大的一致性或者具有用于三维运动路径的轨道的一个或多个其它期望的属性。朝向的精炼可以包括调整角位置，使得机器人精加工工具上的特定点朝向垂直于被精加工的零件表面(或者与垂直于该表面有特定 偏差)。在一种实施方式中，把机器人精加工工具定向为沿三维运动路径大致一致地垂直于零件表面是优选的。路径的调整还可以包括平滑在通过“接触教”路径创建步骤104生成初始路径时可能出现的不规则。人类运动可以很好地捕捉宏观位置，但是指定微观位置不如机器人可以实现得那么精确。
所捕捉到的初始三维路径可以同用于未精加工零件和/或用于精加工后零件的三维CAD数据进行比较，以便精炼和理想化该路径。例如，路径的精炼可以沿路径的一部分维持一致的距离，这导致精加工工具与被精加工零件之间恒定的接触表面积。当修改可以产生期望结果的三维运动路径时，其它变量也可以考虑。在具有代表性的实施方式中，三维运动路径可以修改成获得以下一个或多个特征：一致的距离、一致的力、一致的压力、路径的平滑、通过精加工介质施加到零件表面的力的平滑、压力的平滑、对变量斜率的约束(即，变化)，等等。平滑调整后的三维运动路径可以为机器人路径修改阶段108中的附加精炼提供良好的初始起始点。
在机器人路径创建阶段102中创建的调整后的初始三维运动路径可以被进一步修改，以便解决会在表面精加工过程中发生的变化。对于平坦表面，当机器人手臂跨工件的表面移动时，表面精加工工具相对平的磨擦表面可以接触相对一致的面积。但是，对于弯曲的表面，当机器人手臂穿过工件表面上的路径时，相对平的磨擦表面会接触持续变化的表面积。在边缘区域上，磨擦表面会比平坦区域接触被精加工工件更少的表面积，而且在角落区域上，磨擦表面会接触甚至更少的表面积。机器人精加工工具可以配置成在整个三维运动路径上利用恒定的接触力，即，目标接触力的全局设置，接触工件的表面。但是，恒定的接触力会导致可变的接触压力，因为接触压力可以用接触力除以所接触的表面积来计算。
当利用恒定的接触力磨擦工件表面时精加工工具可变的接触压力会导致不期望的可变的表面精加工，而不是期望的一致的表面精加工。边缘区域会比平坦区域被磨掉更多，而且角落区域被磨掉甚至更 多，因为其接触面积大大小于平坦区域。在平坦区域中，大致一致的表面积可以被接触(依赖于机器人精加工工具与工件表面之间的常规距离)，而在边缘区域中，线性面积(即，基本上窄的表面积)会被接触。在角落区域中，与沿工件平坦区域的较大一致表面积相比，大致为“点”的表面积可以被接触。恒定的接触力可以导致沿平坦区域、边缘区域和角落区域大不相同的接触压力值。机器人路径修改阶段108可以用于精炼所述三维运动路径，以便比通过使用机器人路径创建阶段102中所确定的初始路径获得更一致和期望的表面精加工外观和具有优选机械属性的期望的形状。在一种实施方式中，机器人路径修改阶段108可以测量施加到零件表面的力并反馈该力测量，以便精炼工具的位置和朝向。
机器人表面精加工工具与工件表面之间实际的接触力可以是机器人手臂位置与机器人手臂和工件之间任何精加工介质(例如具有多孔层的垫子，在多孔层中有浆体，所述浆体包含悬浮的磨擦粒子，或者是与一片砂纸接触的可压缩泡沫衬垫)的压缩能力的函数。接触力传感器可以放在机器人手臂当中，该传感器可以测量沿三维运动控制路径的实际接触力。机器人手臂的位置可以由机器人控制系统自动调整，以便维持机器人表面精加工工具与工件表面之间恒定的接触力；但是，如上所述，沿三维运动路径的恒定接触力会导致表面精加工中不期望的变化。沿三维运动路径变化的目标接触力轮廓110可以提供更恒定的压力(压力/单位面积)并且产生更一致的表面精加工。
由机器人表面精加工工具所施加的接触力可以随接触面积而变而且可以变成沿运动路径平滑地上升下降(ramp up and down)，以便最小化或者消除会导致表面精加工损坏的接触力的突然变化。机器人精加工工具可以编程为通过以可变的接触力轮廓而不是恒定的接触力轮廓为目标来沿三维运动路径近似恒定的压力轮廓。沿所述路径为每个点指定目标接触力可以提供/容纳(accommodate)当精加工工具沿被精加工的工件表面的不同区域移动时会遇到的接触表面中的自然变化。对实际接触力的估计可以离线地计算，来为机器人精加工工具 确定沿三维运动路径调整后的位置和朝向。
多轴称重元件可以包括在机器人手臂中，该称重元件可以测量沿着及关于一个或多个独立正交轴的力和扭矩。在一种实施方式中，接触力(实际的和/或目标的)可以通过改变机器人手臂与工件之间沿所述三维运动路径沿与工件表面垂直的方向的距离来调整。所述多轴称重元件可以允许三维运动路径的“联机”调整，实现给定准确度之内沿所述路径的可变接触力轮廓。更简单的单轴称重元件只可以提供沿与接触面积垂直的常规方向的接触力。
动态工具路径模拟步骤114可以用于在一个或多个重复的模拟循环中精炼所述三维运动路径。在机器人路径创建阶段102中所获得的“粗略”常规三维运动路径可以基于可以产生可变目标接触力轮廓的目标接触力轮廓模拟110来精炼。接触力、压力、磨擦及其它属性的模拟可以在动态工具路径模拟步骤114中重复，以便进一步精炼所述三维运动路径。该模拟可以包括力、压力、接触面积、精加工介质磨擦属性、精加工介质压缩能力与适应性、工件几何结构、机器人手臂位置、精加工介质流体动力及会影响精加工结果的其它属性中的一个或多个的计算。三维运动路径的迭代测试及结果产生的工件样本的表面精加工可以包括在动态工具路径模拟114中。
磨擦之后工件表面的区域可以在不同的点被重新检查，以确定接触表面压力与磨擦材料的效果。此外，可压缩垫可以涂以墨水并在沿工件表面的多个点接触，以估计为工件的不同几何结构实现的接触表面积和接触压力值。所观察到的接触面积可以包括在动态工具路径模拟步骤114中，以便进一步精炼可以用于确定三维运动路径的接触压力的估计。所述模拟还可以包括力反馈响应时间的任何影响(例如，所测量到的接触力与机器人手臂实际位置和/或朝向的结果变化之间的延迟)。
在机器人路径修改阶段108中开发出的精炼后的三维运动路径可以在机器人路径执行阶段116中用在机器人控制的表面精加工系统中。机器人表面精加工工具可以包括力反馈控制系统，该系统可以跟 踪在机器人路径修改阶段108中确定的期望的接触力轮廓。当机器人精加工工具磨擦工件的表面时，目标接触力轮廓110可以沿由机器人手臂所采取的三维运动路径变化。尽管机器人路径修改阶段108可以用于精炼在机器人路径创建阶段102中开发出的初始路径，但机器人路径执行阶段116中的反馈还可以进一步最小化沿所述三维运动路径来自规定的一组变量的变化。机器人路径修改阶段108可以用于确保力反馈系统可以提供/容纳关于所确定的目标力轮廓的变化范围。
测量力与扭矩的称重元件在有限的值范围上可以是线性的。在一种实施方式中，机器人路径修改阶段108可以在确定三维运动路径时为机器人精加工工具中的称重元件解决一定范围的线性度。当期望沿三维运动路径更宽范围的接触力值时，多个称重元件可以并联地包括在机器人精加工工具中，具有部分重叠的线性范围。力反馈系统可以允许精加工过程中对机器人表面精加工工具位置和朝向的“实时”“联机”调整。这种动态调整可以用于解决在工件在维度、固定设备中的位置、材料属性中的变化，及在大批量制造环境中会出现的其它自然变化。利用在精加工过程中动态调整的精炼后的三维运动路径，可以快速受控的方式跨多个零件获得一致的表面精加工外观、一致的机械完整性和期望的形状。
以上所述的机器人创建、修改与执行阶段102/108/116可以用在包括研磨122、砂纸打磨124和磨光(抛光)126的一种或多种机器人路径应用120中。三维研磨122可以看作是传统两维研磨过程的扩展。三维研磨122可以解决研磨工具与被磨擦的工件的可变成形表面之间表面接触面积的变化。常规的两维研磨过程可能不适于精加工零件上的三维表面。包括可变接触力与力反馈系统的多轴机器人的使用可以把研磨过程修改得更适于三维零件。砂纸打磨124和磨光126可以利用振动或旋转表面来实现，其中对它们与被精加工零件的表面的接触由机器人控制。机器人控制可以应用到砂纸打磨/磨光工具或者应用到工件或者应用到两者之上。以下描述对机器人表面精加工方法、装置与系统的附加细节。
图2A和2B说明了现有技术两维研磨系统的顶视图200和侧视图220。两维研磨系统的基部可以包括研磨板202。工件206(或者多个工件)可以放在防护圈204中，其中防护圈204可以在研磨过程中维持工件206稳定。隔离器208可以放在工件206的顶上而且重物210可以向下压在隔离器208和工件206上。如图2A中所示，多个防护圈204可以围绕单个研磨板202放置，而且多个工件可以放在每个防护圈204中。因此，多个工件206可以同时进行研磨。复合磨料可以悬浮在浆体212中，其中浆体212可以泵到或者放到研磨板202的表面上。研磨板202(而且在有些情况下是重物210和隔离器208)可以旋转，由此逆着工件206的表面接触浆体212中的复合磨料。工件表面的材料可以被精确地除去，以便产生期望的平滑平坦的表面。一般来说，表面可以成形为具有良好一致性的从紧的尺寸公差。对于浆体212中的中等磨料粒子，研磨板202可以中速旋转。浆体212中磨料的使用可以称为“自由磨料”研磨。作为替代，磨料粒子可以粘到衬底，例如垫子、纸或者聚酯衬底，这些衬底可以在已知称为“固定磨料”研磨的过程中放在工件与研磨板之间。研磨可以在磨削过程已经产生工件的粗略形状之后应用到表面。尽管具体的精加工可以依赖所使用的磨料材料，但是研磨一般可以提供精细、平滑和反光的表面精加工。砂纸打磨和抛光(或者磨光)也可以在研磨过程之前或者之后应用，以产生工件期望的表面精加工。这里的描述对于不同表面精加工过程的应用没有特定的次序。图2A和2B中所说明的两维研磨过程可以应用到平坦表面，但可能不适于工件的三维表面。
图3说明了一种替代性研磨系统300，其中磨料304可以悬浮在可以流到垫子302的多孔顶层上的浆体中，其中工件306可以放到该垫子302上进行研磨。机器人手臂(或者CNC机器手臂)308可以相对于垫子302确定工件306在研磨板202上的位置。研磨板202可以旋转，同时工件306可以由机器人手臂308向下压到垫子302上。在一种实施方式中，工件306可以安装到机器人手臂308上，使得机器人手臂308还可以相对于垫子308旋转工件306。工件306与连到研 磨板202的垫子302的相对运动能磨擦工件306的表面。
对于如图3中所示安装到机器人/CNC机器手臂308的工件306，工件306还可以定位成与研磨垫子302有一个角度。如图4中所示，图3的两维研磨系统300可以修改变成三维研磨系统400，由此允许工件406三维表面上精确和一致的表面精加工。工件406可以包括三维非平坦表面，该表面可以被利用包含磨料304的垫子302旋转的研磨板202“研磨”。机器人/CNC机器手臂306可以被控制成改变工件406相对研磨板202的位置，沿三个平移(x，y，z)轴和三个旋转(rX，rY，rZ)轴的任意组合变化。工件406逆着旋转研磨板202上的垫子302的力可以被测量和调整，以确保期望的表面精加工。工件406接触垫子302的表面积可以依赖被精加工的工件406的区域而改变。例如，如图3所示被研磨的平坦区域的表面积与如图4所示被研磨的边缘区域的表面积不同。
图5和6说明了用于三维研磨系统500/600磨擦工件三维表面的一种替代性布置。工件506可以既包括平坦区域又包括弯曲的区域。机器人/CNC机器手臂306可以连到精加工板或者砂纸打磨/抛光工具502。机器人/CNC机器手臂306可以在相对于工件506的一种或多种复杂运动中移动精加工板或者砂纸打磨/抛光工具502，包括旋转、平移和振动运动。磨料508可以悬浮在可以流到适应性垫子504的多孔顶层上的浆体中，而且可以在机器人/CNC机器手臂306移动精加工板或者砂纸打磨/抛光工具502时磨擦工件506的表面。如图5所示，对于工件506表面的平坦区域，三维研磨系统500可以在两维平面中“研磨”或“砂纸打磨”工件506的表面。
如图6所示，三维研磨系统600还可以进一步研磨或砂纸打磨工件506的三维边缘区域。适应性垫子504可以改变形状，以符合工件506三维边缘区域的表面。机器人/CNC机器手臂306可以改变精加工板或者砂纸打磨/抛光工具502的角位置，以便提供/容纳三维“研磨”或“砂纸打磨”，而且可以调整接触力(和结果产生的接触压力)，以便解决在工件506表面的不同区域中适应性垫子504和工件506之间 接触的不同表面积量。在一种实施方式中，机器人/CNC机器手臂306可以调整精加工板或者砂纸打磨/抛光工具502与工件506之间的接触角度，使之在精加工板或者砂纸打磨/抛光工具502上的一个点与工件506的表面垂直(即，正交)。砂纸打磨可以使用利用适应性垫子504(例如，可压缩的泡沫垫子)或者利用在其中嵌入了一定范围不同大小磨料粒度材料和硬度的“砂纸”的振动运动。用于金属或金属合金工件506的普通磨料可以包括具有从600至1000粒度范围的二氧化硅和二氧化铝。
为了获得期望的表面精加工，工件506可以利用一种或多种不同的表面精加工过程来成形，包括产生粗略形状的磨削过程、产生粗略表面的砂纸打磨过程、产生一致表面的研磨过程和进一步精炼表面的抛光或磨光过程(如接下来要描述的)。在一种实施方式中，可以使用一系列过程来产生跨工件所有暴露区域都具有一致表面精加工的工件，在不同形状的区域之间没有可见的连接或过渡，例如跨平的底部、沿弯曲的边缘区域和围绕高度弯曲的角落区域。这里的描述对表面精加工过程没有特定的次序，而且一种或多种不同的表面精加工过程可以用于获得具有期望属性的特定的表面精加工。可以使用不同材料的不同表面精加工过程的组合可以在需要时用于产生特定的表面精加工。
图7说明了可以用于砂纸打磨和/或磨光/抛光工件406三维表面的三维表面精加工系统700。机器人/CNC机器手臂306可以沿六自由度中的任何一个，即，沿三个不同的平移轴和关于三个不同的旋转轴，确定工件406的位置。工件406可以由机器人/CNC机器手臂306移动，以便改变工件406和被磨料704覆盖的精加工轮702表面之间的接触面积和接触力。精加工轮702可以适当的速度旋转，而且磨料704对于不同的精加工轮702可以不同，以便获得工件406表面上的期望精加工。三维表面精加工系统700可以包括多轴称重元件(未示出)，以便测量力和力矩，而且可以在工件406与精加工轮702的研磨表面接触时确定与工件406表面垂直的力。
简单的(例如，单轴)称重元件可以用于测量“额定”常规方向中的力。通过在工件406与精加工轮702之间施加可变的接触力，一致的表面精加工可以沿平坦区域和有形状的区域应用到工件406。工件406的平坦区域可以具有与精加工轮702的磨料704表面接触的大表面积，而弯曲的边缘和角落区域具有与精加工轮702接触的较小表面积。在机器人/CNC机器手臂306的控制下，工件406的三维运动路径可以在工件406与精加工轮702之间实现近似恒定的压力(即，接触力除以接触表面积)。如之前所描述过的模拟路径可以确定所采取的额定路径，而利用基于来自安装在表面精加工装置700中的一个或多个多轴称重元件的测量所进行的实时调整可以导致期望的一致表面精加工，这是使用恒定的全局接触力的传统两维研磨系统和/或精加工系统难以实现的。
图8A说明了为机器人表面精加工装置创建三维运动路径的方法800。在步骤802中，创建工件的三维CAD模型。在步骤804中，沿三维CAD模型的表面选择用于每个点的一系列点和关联的朝向。该系列中的点以规则或不规则的间隔隔开。点的间距是由一个或多个变量的变化量确定的。具有代表性的变量包括用于一个点的CAD模型的表面的位置和角定向。在步骤806中，通过连接所述系列的点并通过在该系列的每个点之间插入用于机器人表面精加工工具的位置与朝向变化来创建三维运动路径。在步骤808中，沿该三维运动路径计算机器人表面精加工工具与CAD模型表面之间的接触轮廓。在步骤810中，基于所计算出的接触轮廓调整所述三维运动路径。在一种实施方式中，所述调整获得了用于一个或多个变量的期望一致性。具有代表性的变量包括沿结果产生的三维运动路径关于三维CAD模型表面的角定向。另一个具有代表性的变量包括由表面精加工工具沿所述三维运动路径在每个点施加的压力。图8B说明了为机器人表面精加工装置创建三维运动路径的变体方法820。在步骤822中，规定的路径覆盖到三维CAD模型的表面上，或者一个或多个路径片段放到三维CAD模型的表面上。在步骤824中，通过使用覆盖的规定路径和/或 通过连接覆盖的一个或多个路径片段来创建三维运动路径。图8B中所说明方法中的剩余步骤与图8A中所说明的那些相同。
图9说明了用于为机器人表面精加工装置创建三维运动路径的另一种方法900。在步骤902中，用户操纵六轴感测装置，来模拟表面精加工运动。具有代表性的表面精加工运动是人用来精加工工件表面的三维运动。在一种实施方式中，用户通过移动机器人手臂的末端通过工件表面之上的空间和/或沿着其来操纵感测装置。在步骤904中，感测装置记录代表表面精加工运动的一系列点和/或朝向。在步骤906中，基于所记录的一系列位置和/或朝向创建三维运动路径。在步骤908中，精炼所述三维运动路径，以关于工件的表面校正感测装置位置和/或朝向中的变化性。工件和表面精加工装置之间的平移位置和/或角位置的一致性在精炼过程中解决。在步骤910中，通过复制来自初始的(和精炼后的)三维运动路径的片段，3-D运动路径扩展到工件具有相似形状的区域，例如工件四个不同的角落。
图10说明了用于为表面精加工工具确定三维运动路径的方法1000。在步骤1002中，创建第一条三维运动路径。该路径是象图8中所描述的那样利用三维CAD模型或者象图9中所描述的那样利用多轴感测装置或者通过其它方法一起创建的。在步骤1004中，第一条三维运动路径与工件的三维CAD模型进行比较，以便确定沿三维运动路径的一个或多个变量轮廓。变量轮廓包括位置、角定向、接触力、接触面积、接触压力或者影响表面精加工工具磨擦结果的其它变量。在步骤1006中，估计磨擦工具与工件之间沿第一条三维运动路径的可变接触压力轮廓。在步骤1008中，计算第二条三维运动路径，沿该第二条三维运动路径具有近似恒定的接触压力轮廓。基于所计算出的第二条三维运动路径调整表面精加工工具的位置和/或角定向，以便在磨擦工件的表面时提供近似恒定的接触压力。
图11说明了用于磨擦工件表面的方法1100。在步骤1102中，创建三维运动路径。在步骤1104中，指定沿该三维运动路径的可变力轮廓。在一种实施方式中，该可变力轮廓提供了表面精加工工具与工件 表面之间近似恒定的压力轮廓。可变力轮廓是利用表面精加工工具与工件之间沿所述三维运动路径的接触的计算机模拟来指定的。在步骤1106中，基于指定的可变力轮廓修改所述三维运动路径。在步骤1108中，利用修改后的三维运动路径磨擦工件的表面。在一种实施方式中，在磨擦表面的同时，利用力反馈系统进一步实时地修改该三维运动路径。在一种实施方式中，力反馈系统使用多轴称重元件来相对于工件表面感测沿和关于表面精加工工具一个或多个轴的力和力矩。在一种实施方式中，确定在步骤1106中修改过的修改后的三维运动路径，以便最小化要由力反馈系统测量的预期变化。
图12总结了可以由运动路径生成方法、装置或计算机可读介质用来创建额定三维运动路径1210的信息的几种不同组合。在第一种组合1200中，智能路径生成1204处理块可以基于初始的三维运动路径1202和几个关键输入创建额定三维运动路径1210。用于生成额定三维运动路径1210的关键输入可以包括三维零件模型1212，例如前面所述代表精加工后零件的目标形状的三维CAD模型。附加的输入可以包括关于可以用于为工件(零件)产生期望表面精加工的表面精加工工具和精加工介质1214的信息。表面精加工工具可以包括可以切割、磨削、砂纸打磨、抛光或执行其它表面精加工操作的机器人控制的设备。可以由包括宏观运动(例如机器人手臂)和微观运动(例如安装在机器人手臂末端上的精加工介质板/头的旋转、平移、振动)的表面精加工工具所采取的运动的特征可以包括在表面精加工工具信息输入1214中。关于由表面精加工工具使用的表面精加工介质1214的信息也可以包括在内，例如在表面精加工过程中接触要精加工的零件表面的表面精加工介质的磨擦等级(粗糙、精细、非常精细)和形状适应性。附加的关键输入可以包括关于表面精加工过程1216的信息。基于所使用的一种或多轴表面精加工介质，表面精加工过程输入变量可以包括例如会影响表面精加工的停留时间、接触时间、表面速度和所施加压力/力的特征。此外，表面精加工过程输入变量还可以包括一个或多个优选的路径形状属性，例如“从左到右”、蛇形、正弦曲线、螺旋 线或者其它形状。不同归类的路径形状可以对要精加工零件表面上的不同区域指定。智能路径生成1204处理块可以使用所述关键输入来修改初始的三维运动路径1202，以便为表面精加工工具和表面精加工介质的一种或多种组合产生额定三维运动路径1210。
在第二种组合1220中，“更智能的”路径生成1206处理块可以利用与以上对“智能”路径生成1204处理块所述相同的关键输入集合来创建额定三维运动路径1210，但不包括初始三维运动路径1202输入。“更智能的”路径生成1206处理块可以通过把具有可以由表面精加工过程1216输入定义的成形属性的路径片段连接到一起来合成额定三维路径1210。“更智能的”路径生成1206处理块可以设法优化结果产生的额定路径1210的属性，包括执行时间和执行所确定额定路径1210所需的表面精加工工具/介质1214中的变化次数。
在第三种组合1240中，“最智能的”路径生成1208处理块可以利用三维零件模型1212的关键输入及关于表面精加工工具和表面精加工介质1214的信息还有一组期望的表面精加工属性1218来创建额定三维运动路径1210。表面精加工属性1218可以代替表面精加工过程1216变量而且可以包括表面精加工的平滑度(几何特征)和光泽度(光学特征)。一致性等级也可以在表面精加工属性1218中指定。然后，“最智能的”路径生成1208处理块可以利用所指定的将具有指定表面精加工属性1218(在指定的容限内)的表面精加工工具和表面精加工介质1214的集合来确定额定路径1210。
图13说明了一组具有特定路径形状属性的代表性运动路径。工件1300的表面可以通过连到机器人手臂的表面精加工工具上的表面精加工介质来精加工，其中机器人手臂可以遵循运动路径沿工件1300的表面穿行并确定表面精加工工具的朝向。如图所示，运动路径的代表性形状包括从一个边缘到另一个边缘从左到右穿行表面的蛇形路径1302、在同心圆片段内从外边缘朝着中心向内穿行片段(同等地可以从中心朝着外边缘向外穿行)及沿围绕工件1300表面边缘的轨道振荡的正弦曲线路径1308。额定的三维运动路径1210可以利用包括具有 象图13中所示那些形状的一个或多个片段的路径生成处理块1206/1208/1210中的一个生成。其它形状也可以使用，例如同心圆/椭圆，阶梯函数、三角函数，等等。所示代表性路径1302/1304/1306的说明不是要损失一般性。工件1300表面上表面精加工介质的表面精加工介质覆盖1304可以与路径形状一起使用，以便确定额定路径1210的路径轨道。基于表面精加工介质与工件1300表面的接触，表面精加工介质覆盖1304可以跨工件1300的不同区域变化。路径生成处理块1206/1208/1210可以解决改变表面精加工介质1304沿工件1300平坦、边缘、角落、凸起、凹陷及其它形状区域的形状属性(适应性、压缩性，等等)。所生成的额定三维运动路径1210可以确保工件1300表面的完整覆盖和一致的表面精加工。
为了在不同区域中曲率会变化(平坦的到高度弯曲的)的三维表面上获得一致的表面精加工，额定三维运动路径1210可以为一种或多轴表面精加工工具/介质1214在离散的时间值定义一系列位置(x，y，z)和角定向(rX，rY，rZ)。位置与角定向可以创建表面精加工工具/介质1214逆着被精加工零件表面的力向量。力的大小可以沿三维运动路径1210变化。图14说明了随时间示为曲线的运动路径1210的可变力大小1402。尽管图14中的图示出了“连续的”曲线，但是实际的可变力大小1402也可以是在离散的时间值的一系列离散的力值。离散时间值的间隔可以影响表面精加工工具1214在点之间的运动速度并影响表面精加工工具/介质1214在给定时间点的停留时间。角定向(rX，rY，rZ)可以基于绝对参考坐标系统或者基于相对于要精加工的零件表面的坐标系统来指定。在一种代表性实施方式中，由表面精加工工具施加的力可以指定成在施加点与零件表面垂直或者偏离与该表面垂直指定的量(ΔrX，ΔrY，ΔrZ)。尽管额定路径1210可以提供用于精加工工件1300表面的起始点，但是在实际的表面精加工过程中，实际的力可以被测量和修改，以确保获得特定表面精加工所需的可变压力轮廓。
图15概述了修改用于表面精加工零件三维表面的三维运动路径 1210的方法1500。在步骤1502中，可以存储初始的额定三维运动路径1210。该三维运动路径可以利用如图12中所述的路径生成来创建。该三维运动路径1210可以包括让表面精加工工具使用施加到零件表面的表面精加工介质的一系列位置和角定向。在步骤1504中，表面精加工工具可以被操作成遵循额定三维运动路径1210沿零件表面移动。在步骤1506中，可以测量实际力向量。在一种实施方式中，力向量可以利用多轴称重元件来测量。在步骤1508中，对于沿额定路径1210测量的位置，所测量出的实际力向量可以与目标力向量进行比较。步骤1508中的比较可以确定所测量出的实际力向量与目标可变力向量的偏离是否在预定的容限值内。当所测量出的实际力向量在目标可变力向量的容限内时，方法1500可以通过返回步骤1504并继续沿当前的额定路径1210操作表面精加工工具来继续。当所测量出的实际力向量偏离目标可变力向量多于预定的容限值时，在步骤1510中，可以计算路径调整，来获得目标力向量。在步骤1512中，所计算出的调整可以用于调整额定路径1210。然后，方法1500可以在步骤1504中继续，沿当前的(和现在调整后的)额定路径1210操作表面精加工工具。利用测量和调整反馈沿额定路径1210移动的循环可以重复，直到表面精加工工具完成了执行整个额定三维运动路径1210。
测量(1506)、比较(1508)、计算(1510)和调整(1512)步骤可以花有限的时间来完成，而且如图16中的力大小图1600中所示，实际力向量1604(只示出了大小)可以落后于目标力向量1602有限的响应时间1606。基于表面精加工系统的采样率、处理能力和控制响应，该有限的响应时间1606可以是相对固定的量。在有些实施方式中，有限的响应时间1606可以预先确定并且进行补偿，用于产生如力大小图1620中所示响应时间校正了的实际力1608，该力1608与目标力1602的轮廓更接近对准。
图17说明了以“智能”方式修改三维运动路径1210的方法1700，包括对有限响应时间1606的补偿。在步骤1702中，初始的额定三维运动路径1210和沿着该额定三维运动路径1210的目标可变力向量。 在一种实施方式中，目标可变力向量可以解决在表面精加工工具/介质和被精加工零件表面之间会发生的目标接触面积区别并被设置成获得大致一致的压力(力/单位面积)。在步骤1704中，可以计算预测的路径调整，来解决响应时间，而且在步骤1706中，额定路径1210可以利用所计算出的预测路径来调整。方法1700的剩余部分接着可以使用与图15中所示相同的步骤集合，以利用力反馈测量和调整来操作表面精加工工具。
以上概述的方法可以利用计算机辅助设计工具、计算机硬件、机器人机器控制硬件/软件和计算机控制的机器人精加工工具的组合来实现。在一种实施方式中，可以显示用于三维运动路径的设计和/或分析的输入变量和测量出的变量。一组输入变量和测量出的变量中的一个或多个变量可以显示给用户。这组输入变量和测量出的变量可以包括至少目标力向量、实际力向量、垂直方向移位、目标速度和实际速度。此外，机器人表面精加工工具和工件(例如外壳或者可以应用机器人表面精加工的其它工件)的三维模型可以显示给用户。所显示的信息可以包括机器人表面精加工工具与工件之间的相交面。该相交面可以用于估计、分析和精炼机器人表面精加工工具的磨擦表面与工件表面之间的接触表面积。
所述实施方式的各个方面、实施方式、实现或特征可以单独地或者以任意组合使用。所述实施方式的各个方面可以由软件、硬件或者硬件和软件的组合来实现。所述实施方式还可以体现为非暂时性计算机可读介质上用于控制制造操作的计算机程序代码。所述非暂时性计算机程序介质是可以存储其后可以被计算机系统读取的数据的任何数据存储设备。非暂时性计算机可读介质的例子包括只读存储器、随机存取存储器、CD-ROM、DVD、磁带和光学数据存储设备。计算机程序代码还可以在网络耦合的计算机系统上分布，使得计算机程序代码以分布方式存储和执行。
为了解释的目的，以上所述使用特定的命名系统来提供对本发明的透彻理解。但是，对本领域技术人员来说，很显然所述具体细节不 是实践本发明所必需的。因此，给出以上本发明具体实施方式的描述是为了说明和描述。它们不是详尽的或者要把本发明限制到所公开的精确形式。鉴于以上教义，对本领域的普通技术人员来说很显然，许多修改和变体都是可能的。
实施方式的选择和描述是为了最好地解释本发明的原理及其实践应用，由此使本领域其他技术人员能够最好地利用本发明和具有适于预期特定用途的各种修改的各种实施方式。本发明的范围要由以下权利要求及其等价物来定义。

Claims (43)

1.一种用于成形物体的三维外表面的装置，该装置包括：
精加工工具，配置成以设定的旋转速度旋转，以磨擦物体表面的多个区域；
定位组件，配置成使所述物体表面的所述多个区域沿规定的路径接触精加工工具；
计算机控制装置，配置成通过如下来控制所述定位组件：
确定沿物体表面的额定三维运动路径，
沿该额定运动路径操作精加工工具，
测量由精加工工具上的精加工介质沿所述额定运动路径施加到物体表面上的实际力向量，
比较所测量出的实际力向量与目标可变力向量，
计算对所述额定运动路径的路径调整以便实现目标力向量，基于额定运动路径和目标力向量计算预测路径调整；及
利用所计算出的预测路径调整来调整额定运动路径。
2.如权利要求1所述的装置，其中所述物体的所述多个区域包括至少一个平坦区域和至少一个弯曲的区域。
3.如权利要求1所述的装置，其中定位组件配置成调整所述规定的路径，以便沿所述规定的路径获得大致恒定的压力轮廓。
4.如权利要求1所述的装置，其中定位组件配置成调整所述规定的路径，以便把实际力向量对准成与物体表面大致垂直。
5.如权利要求1所述的装置，其中定位组件配置成补偿测量实际力向量与调整规定路径之间的响应时间。
6.一种用于为精加工工具确定三维运动路径的方法，该方法包括：
创建物体的三维计算机辅助设计模型；
在该计算机辅助设计模型表面的多个区域上选择一系列点和朝向；
创建连接所选一系列点和朝向的三维运动路径；
计算精加工工具与该计算机辅助设计模型的表面之间沿所述三维运动路径的接触轮廓；及
基于所计算出的接触轮廓调整所述三维运动路径；
其中所述物体的所述多个区域包括至少一个平坦区域和至少一个弯曲的区域。
7.如权利要求6所述的方法，其中调整三维运动路径导致精加工工具上的精加工介质和计算机辅助设计模型的表面之间沿所述三维运动路径的大致恒定的压力轮廓。
8.如权利要求6所述的方法，其中调整三维运动路径把接触轮廓中的向量对准成与计算机辅助设计模型的表面大致垂直。
9.如权利要求6所述的方法，其中调整三维运动路径包括调整精加工工具相对于计算机辅助设计模型的表面的至少位置、角定向和速度。
10.如权利要求6所述的方法，其中计算接触轮廓包括估计精加工介质变形和精加工介质的流体动力。
11.如权利要求6所述的方法，还包括：
为所计算出的接触轮廓估计表面精加工的平滑度，及
调整所述三维运动路径，以产生近似一致平滑的表面精加工。
12.一种用于为精加工工具确定三维运动路径的方法，该方法包括：
沿工件的三维计算机辅助设计模型的表面创建用于精加工工具的第一条三维运动路径；
估计精加工工具和工件之间沿该第一条三维运动路径的可变接触轮廓；及
基于所估计出的可变接触轮廓和所述第一条三维运动路径计算第二条三维运动路径；
其中第二条三维运动路径在精加工工具和工件的多个表面之间具有大致恒定的接触压力轮廓。
13.如权利要求12所述的方法，其中所述工件的所述多个表面包括至少一个平坦的表面和一个弯曲的表面。
14.如权利要求12所述的方法，还包括：
估计沿所述第二条三维运动路径的表面精加工的平滑度，及
调整所述第二条三维运动路径，以便沿工件的表面提供近似一致的平滑度。
15.如权利要求12所述的方法，其中创建用于精加工工具的第一条三维运动路径包括沿工件原型的表面操纵“接触教”三维机器人手臂。
16.如权利要求12所述的方法，其中创建用于精加工工具的第一条三维运动路径包括在工件的三维计算机辅助设计模型上放置多个点并且连接所述多个点来最小化表面精加工中的变化。
17.一种用于成形物体的三维外表面的方法，该方法包括：
确定沿物体表面的额定三维运动路径；
沿该额定运动路径操作精加工工具；
测量沿该额定运动路径由精加工工具上的精加工介质施加到物体表面的实际力向量；
比较所测量到的实际力向量与目标可变力向量；
计算对额定运动路径的路径调整以便实现目标力向量；
基于额定运动路径和目标力向量计算预测路径调整；及
利用所计算出的预测路径调整来调整额定运动路径。
18.如权利要求17所述的方法，
其中物体的表面包括至少一个平坦区域和一个弯曲的区域。
19.如权利要求17所述的方法，还包括：
显示一组输入变量和所测量出的变量中的一个或多个，所述组输入变量和所测量出的变量至少包括目标可变力向量、实际力向量、垂直方向移位、目标速度和实际速度。
20.如权利要求17所述的方法，还包括：
显示精加工工具的一个或多个三维模型、物体及精加工工具与物体之间的一个或多个相交表面。
21.如权利要求17所述的方法，其中目标可变力向量指定精加工工具与物体表面之间沿额定运动路径具有大致恒定的压力轮廓的可变接触力。
22.如权利要求21所述的方法，其中目标可变力向量沿额定运动路径大致与物体的表面垂直。
23.如权利要求21所述的方法，其中实际力向量是利用精加工工具中的多轴称重元件测量的。
24.如权利要求21所述的方法，其中额定运动路径是单个连续曲线，并且精加工工具向物体的外表面应用单种精加工介质。
25.一种用于为精加工工具确定三维运动路径的设备，该设备包括：
用于创建物体的三维计算机辅助设计模型的装置；
用于在该计算机辅助设计模型表面的多个区域上选择一系列点和朝向的装置；
用于创建连接所选一系列点和朝向的三维运动路径的装置；
用于计算精加工工具与该计算机辅助设计模型的表面之间沿所述三维运动路径的接触轮廓的装置；及
用于基于所计算出的接触轮廓调整所述三维运动路径的装置；
其中所述物体的所述多个区域包括至少一个平坦区域和至少一个弯曲的区域。
26.如权利要求25所述的设备，其中用于调整三维运动路径的装置包括用于导致精加工工具上的精加工介质和计算机辅助设计模型的表面之间沿所述三维运动路径的大致恒定的压力轮廓的装置。
27.如权利要求25所述的设备，其中用于调整三维运动路径的装置包括把接触轮廓中的向量对准成与计算机辅助设计模型的表面大致垂直的装置。
28.如权利要求25所述的设备，其中用于调整三维运动路径的装置包括用于调整精加工工具相对于计算机辅助设计模型的表面的至少位置、角定向和速度的装置。
29.如权利要求25所述的设备，其中用于计算接触轮廓的装置包括用于估计精加工介质变形和精加工介质的流体动力的装置。
30.如权利要求25所述的设备，还包括：
用于为所计算出的接触轮廓估计表面精加工的平滑度的装置，及
用于调整所述三维运动路径，以产生近似一致平滑的表面精加工的装置。
31.一种用于为精加工工具确定三维运动路径的设备，该设备包括：
用于沿工件的三维计算机辅助设计模型的表面创建用于精加工工具的第一条三维运动路径的装置；
用于估计精加工工具和工件之间沿该第一条三维运动路径的可变接触轮廓的装置；及
用于基于所估计出的可变接触轮廓和所述第一条三维运动路径计算第二条三维运动路径的装置；
其中第二条三维运动路径在精加工工具和工件的多个表面之间具有大致恒定的接触压力轮廓。
32.如权利要求31所述的设备，其中所述工件的所述多个表面包括至少一个平坦的表面和一个弯曲的表面。
33.如权利要求31所述的设备，还包括：
用于估计沿所述第二条三维运动路径的表面精加工的平滑度的装置，及
用于调整所述第二条三维运动路径以便沿工件的表面提供近似一致的平滑度的装置。
34.如权利要求31所述的设备，其中用于创建用于精加工工具的第一条三维运动路径的装置包括用于沿工件原型的表面操纵“接触教”三维机器人手臂的装置。
35.如权利要求31所述的设备，其中用于创建用于精加工工具的第一条三维运动路径的装置包括用于在工件的三维计算机辅助设计模型上放置多个点并且连接所述多个点来最小化表面精加工中的变化的装置。
36.一种用于成形物体的三维外表面的设备，该设备包括：
用于确定沿物体表面的额定三维运动路径的装置；
用于沿该额定运动路径操作精加工工具的装置；
用于测量沿该额定运动路径由精加工工具上的精加工介质施加到物体表面的实际力向量的装置；
用于比较所测量到的实际力向量与目标可变力向量的装置；
用于计算对额定运动路径的路径调整以便实现目标力向量的装置；
用于基于额定运动路径和目标力向量计算预测路径调整的装置；及
用于利用所计算出的预测路径调整来调整额定运动路径的装置。
37.如权利要求36所述的设备，
其中物体的表面包括至少一个平坦区域和一个弯曲的区域。
38.如权利要求36所述的设备，还包括：
用于显示一组输入变量和所测量出的变量中的一个或多个的装置，所述组输入变量和所测量出的变量至少包括目标可变力向量、实际力向量、垂直方向移位、目标速度和实际速度。
39.如权利要求36所述的设备，还包括：
用于显示精加工工具的一个或多个三维模型、物体及精加工工具与物体之间的一个或多个相交表面的装置。
40.如权利要求36所述的设备，其中目标可变力向量指定精加工工具与物体表面之间沿额定运动路径具有大致恒定的压力轮廓的可变接触力。
41.如权利要求40所述的设备，其中目标可变力向量沿额定运动路径大致与物体的表面垂直。
42.如权利要求40所述的设备，其中实际力向量是利用精加工工具中的多轴称重元件测量的。
43.如权利要求40所述的设备，其中额定运动路径是单个连续曲线，并且精加工工具向物体的外表面应用单种精加工介质。
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