CN107775065A - 双机器人镜像铣削等壁厚加工的协调运动同步控制方法 - Google Patents

双机器人镜像铣削等壁厚加工的协调运动同步控制方法 Download PDF

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Abstract

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。

Description

双机器人镜像铣削等壁厚加工的协调运动同步控制方法
技术领域
本发明涉及用于大型薄壁曲面加工过程中双机器人镜像铣削支撑头和刀具的协调同步控制以及薄壁曲面构件的等壁厚控制方法,尤其涉及一种双机器人镜像铣削等壁厚加工的协同运动控制方法。
背景技术
大型轻质铝合金薄壁曲面构件在航空航天领域有着非常广泛的应用，由于薄壁曲面自身的弱刚性，无法利用常规的机加工工艺进行加工。传统的化学铣工艺繁琐、且污染严重。镜像铣削正在逐渐取代化学铣用于薄壁曲面的加工。镜像铣削加工过程中刀具和支撑头分别在薄壁曲面的两侧，随动支撑头用来提高薄壁曲面构件的刚度。加工过程中随动支撑头和刀具垂直于薄壁曲面并沿其表面做协作运动，该协作运动的同步性能决定了加工过程中支撑头对薄壁件的支撑效果和支撑刚度。因此，双机器人镜像铣削系统中支撑头和刀具在镜像铣削加工要求下的协同位姿控制是镜像铣削加工系统需要解决重大问题之一，是提高薄壁件加工质量的关键。
专利CN104289748A公开了一种通过五轴数控机床和专用夹具对大型薄壁件进行加工的方式。专用夹具只适用于特定表面形状薄壁件的加工，适应性差且专用夹具本身制作成本高；五轴数控机床设备尺寸庞大且运动不够灵活。
目前针对双机器人镜像铣削加工中的双机协同位姿控制策略还未见报道。
发明内容
本发明的目的在于克服已有技术的缺点，提供一种可有效保证双机器人铣削加工过程中支撑头和刀具的位姿同步协作以及等壁厚加工的双机器人协同控制方法。
本发明是通过以下技术方案实现：
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：
(1)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；
(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xp,yp,zp,Ap,Bp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 OTV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TTV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xs,ys,zs，所述xs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，ys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，zs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，zs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。
本发明的有益效果是：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。
附图说明
图1是支撑机器人/加工机器人本体结构简图；
图2是双机器人镜像铣削系统坐标系示意图；
图3是双机器人等壁厚加工同步协作控制策略流程图；
图4是刀具工件支撑部分放大图。
具体实施方式
为了使本发明的技术方案更加清晰，以下结合附图对本发明做进一步详细说明。应当理解，此处所述的具体实例仅用以解释本发明，并不限定于本例。
图1是支撑机器人/加工机器人本体结构简图，括号外为支撑机器人关节参数，括号内为刀具机器人关节参数。
如附图所示的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：
(1)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；
(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xp,yp,zp,Ap,Bp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 OTV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TTV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xs,ys,zs，所述xs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，ys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，zs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，zs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。
实施例1
基于专利CN104985596A所公开的一种五自由度混联机器人，假定薄壁曲面构件为直径为3.2m的薄壁圆筒，原壁厚约为4mm，目标壁厚2mm。
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；
(1)将薄壁构件装夹完毕后，首先对本工位下薄壁件支撑表面区域进行激光扫描，扫描获得支撑表面各点在工件坐标系O-xyz下的支撑表面位置参数xp,yp,zp，利用曲面重构建立本工位下支撑表面数学模型，并根据该模型确定支撑表面各点对应的法向向量。
(2)第i个加工位置的xp,yp,zp为(200.0002，0，-12.3554)，根据支撑表面数学模型可确定法向量两个转角Ap和Bp为(0，7.1250°)。根据xp,yp,zp,Ap,Bp可以得到工件坐标系O-xyz与支撑头随动坐标系S-xyz之间的齐次变换矩阵OTS；将参数xp,yp,zp,Ap,Bp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参数x1,y1,z1,A1,B1。为减少运算，这里设定工件坐标系O-xyz和支撑端机器人末端工具坐标系C1-xyz重合，故x1,y1,z1,A1,B1为(200.0002，0，-12.3554，0，7.1250°)(下述长度单位均为mm，角度单位均为度)。根据此时支撑端机器人末端工具坐标系C1-xyz下的位姿参数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个主动关节的电机控制参数q1,q2,q3,θ4,θ5为(831.1487，721.9615，655.3192，-70.8832°，-14.0985°)，各关节如附图1所示。
(3)如附图2所示，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，这里d为2mm，如附图4中1所示，是薄壁件的理想壁厚，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。同时将所述的矩阵OTS和STV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。由矩阵乘法将 OTV连乘得到刀具工具坐标系C2-xyz和刀具虚拟坐标系V-xyz之间的齐次矩阵所述的和互为逆矩阵；将刀具虚拟坐标系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2和理想壁厚1之差，通过下面的计算得到。将齐次变换矩阵右乘TTV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，其参数值为(-199.7521，0，-312.6600，0，7.1250°)。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，其值为(1071.9234，957.4493，10354779，-3.8242°，-0.0116)。
(4)根据电机编码器可以读取支撑端机器人各主动关节参数为(832.3268，724.4443，654.6235，-71.3018°，-14.5605°)，读取加工端机器人各主动关节参数为(1071.9176，956.4575，1036.4073，-3.8794°，-0.0119°)，分别带入各自机器人运动学正解模型，得到支撑机器人末端工具坐标系C1-xyz下支撑头实际位姿参数为(200.0044，-0.0106，-12.9945，-0.0031，7.3007)，刀具端机器人末端工具坐标系C2-xyz下刀具实际位姿参数为(-199.7464，0.0008，-312.0220，0.0002°，7.3012°)。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之间的实际齐次矩阵齐次矩阵 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xs,ys,zs，其值为(0.0052,0.0132,-2.1522)，这里zs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Z轴方向的相对距离，该相对距离为此时工件实际壁厚。如附图4中2所示将实际壁厚2和理想壁厚1作差得到差值h，此时h为0.1522，壁厚公差要求为0.1mm，不满足公差要求，将差值h带入上述(3)提到的h中。重复执行之后步骤，得到一个新的h为0.0287，满足精度要求，则进行第i+1个位置的加工。
综上，本发明公开了一种双机器人镜像铣削等壁厚加工的协调运动同步控制策略。通过以上所述的协调同步位姿约束要求和定义的位姿坐标系，利用系统中的坐标变换实现双机器人协调运动同步控制和加工等壁厚控制，可满足多种薄壁曲面构件的双机器人镜像铣削加工。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不仅局限于此，凡是依据本发明的技术方案及其发明构思加以同等替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围内。

Claims (1)

1.双机器人镜像铣削等壁厚加工协调运动同步控制方法，其特征在于包括以下步骤：
(1)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；
(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xp,yp,zp,Ap,Bp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 OTV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TTV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xs,ys,zs，所述xs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，ys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，zs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，zs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。
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