CN108274472A - 一种工业机器人加工工艺自适应的空间运动方法 - Google Patents

Abstract

本发明公布了一种用于工业机机器人加工工艺自适应的空间运动方法，利用机器人控制系统采集外部传感器传递的物理量，感知工艺状态的变化，然后在有限空间内实现调整工艺状态的约束运动，实现一种以空间运动量补偿工艺状态变化量的工艺过程控制策略。本发明解决了传统控制策略通过采用改变工艺参数的方法以补偿由运动误差造成的不稳定工艺状态。可有效提高机器人加工的工艺稳定性，具有明显的实际应用价值。

Description

一种工业机器人加工工艺自适应的空间运动方法

技术领域

本发明涉及的是一种用于工业机器人加工工艺自适应的空间运动方法，用于实现工业机器人控制系统的加工工艺稳定功能。

背景技术

工业机器人具有成本低、柔性高和安装空间小的优势，可替换数控机床实现一种新的加工运动平台，广泛用于焊接件磨平、铸造件修边、冲压件去毛刺、轮毂和模具的抛光等。但加工大型部件时，机器人切削加工技术却有加工负载小、受工件刚度影响大和工件材料去除量小的不足。鉴于机器人运动的可编程性，目前已经建立基于CAD-CAM-ROBOT数据链的六自由度机器人离线编程系统，解决机器人加工过程中的轨迹规划问题。但是，当加工空间自由曲面时，离线编程系统的路径规划只能保证运动位置精度，无法满足加工工艺的特殊要求。因此，急需解决机器人加工工艺稳定性的问题。

传统机器人控制系统只采用D-H法生成的运动轨迹驱动机器人运动，然后响应关节传感器反馈的位置、速度和加速度等运动状态，构成机器人的半闭环控制系统，事实上，由于运动误差的存在，六自由度末端执行器的连续运动轨迹是不精确的。且系统中还存在干扰和噪声，这些叠加因素造成半闭环反馈的运动控制方式是不稳定的，尤其工艺状态改变时无法及时地响应，因此，需要对工艺控制策略方法提出新要求。

发明内容

本发明针对提高工业机器人加工效率和稳定性的需求，提供一种机器人加工工艺自适应的空间运动方法，该方法能够使机器人控制系统通过采集外部传感器传递的物理量感知工艺状态的变化，然后在有限空间内实现调整工艺状态的约束运动，实现一种以空间运动量补偿工艺状态变化量的工艺过程控制策略，从而促进加工工艺的稳定性。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

本发明提供一种工业机器人加工工艺自适应方法，包括以下步骤：

S1、机器人加工时，最直接反映控制系统性能的是实时工艺状态，而工艺状态可以通过采集某些物理量来表征，如机器人电弧焊接时的放电功率，喷涂时的喷液出口压强，抛光打磨时的曲面法向压力等作为机器人加工状态的表征，基于D-H方法建立离线编程系统的运动学方程。

S2、运用齐次变化法对机器人坐标系进行位姿描述和位姿转换。求得工具坐标系{T}相对于工件坐标系{G}的位姿变换矩阵并进行简化。

S3、简化运动学方程的求解算法，求出关节角度。

S4、简化动力学方程求解过程，求出速度和加速度。

所述的步骤2中工具坐标系{T}相对工件坐标系{G}的位姿变换矩阵可表示为：

其中{T}为工具坐标系，{T}的三个坐标轴分别为n(x_T)，o(y_T)，a(z_T)，工具坐标系原点O_T在工件坐标系中的坐标为(P_x,P_y,P_z)。α和β为约束曲面相对于工件坐标系曲面在轴方向旋转的角度。

所述的步骤2中的位姿变化矩阵简化方法为：采采用位置确定的夹具禁固住工件，并使夹具与工具的轴心线与腕部坐标系的Z轴重合，则工件坐标系{G}与工作台坐标系{S}可重合，因此工具坐标系{T}相对于腕部坐标系仅在Z轴方向的移动P_z，这时的转换矩阵只有平移变换关系。

所述的步骤3中在工艺约束运动简化求正解时，设置θ₄，θ₅保持瞬时相对静止，只改变θ₂，θ₃值，即可实现曲面法矢量上的直线微动，这样可以在线快速地计算出工具末端中心点在工件表面的相对位置。在离线编程系统求逆解时，根据已知末端执行器相对于基坐标系{B}的位姿，可求关节位移θ₁，θ₂……θ_n的值，即将工作空间内机器人末端执行器的位置和姿态转化为关节位移的方法。

所述的步骤3中在工艺约束运动简化求逆解时，由于五坐标G代码对欧拉角的3个分量(α,β,γ)中的γ没有指定(γ为工具轴线旋转方向)，需要预先给定γ，即去冗余过程。为了保证工具端面损耗均匀，工具末端将按恒定速率在工具坐标系下旋转，此时θ₆值在工艺约束运动时是时间的确定函数值。关节角度θ₂，θ₃都可以求出，但在求解的过程当中，会出现两组解情况，表明机器人到达指定目标有两种位置和姿态。这时需要首先根据关节角范围进行取舍，然后选用最接近机械臂当前位置的结果作为第一解。

工艺速度F与工艺物理量u之间可表示为二次线性方程。

F＝au²+bu+c

根据简化原理，可只求解关节2和3的动力学特性，仅研究这两个关节速度变化时工具的速度和加速度变化，这时只需计算工具线速度v的传递比，而角速度ω的传递比设置为单位矩阵。而工具线速度v的值只与关节2，3相关，因此相应的雅克比矩阵方程可简化为3×3的齐次矩阵。

^TJ(q)＝[^TJ₁(q),^TJ₂(q),^TJ₃(q)]

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：本发明提供的所述机器人工艺自适应空间运动方法其利用D-H方法建立运动学模型，再通过坐标系转换和系列简化在有限空间内实现调整工艺状态的约束运动，实现一种以空间运动量补偿工艺状态变化量的工艺过程控制策略，从而促进加工工艺的稳定性。

附图说明

图1为本发明中电弧放电加工机器人的坐标关系示意图；

图2为本发明中工艺约束运动的有限空间曲面约束示意图；

图3为本发明中工艺约束运动的空间直线轨迹约束示意图。

图4为本发明中工艺约束运动在线控制机器人加工控制系统的流程图。

图5为本发明中工艺约束运动在线控制机器人加工控制系统的原理图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式来进一步说明本发明的技术方案：

请参照图1、图2和图3，本发明提供一种有限空间约束运动与工艺的融合机制，具体包括以下步骤：

(1)以工艺物理量的变化量和变化率等作为机器人加工状态的表征，基于D-H方法建立工艺约束运动融合机制的数学模型。该数学模型包括工艺约束运动映射到有对应关系连杆的位移，速度和加速度关系。

(2)运用齐次变化法对机器人坐标系进行位姿描述和位姿转换。求得工具坐标系{T}相对于工件坐标系{G}的位姿变换矩阵并进行简化，进而推导出工艺运动对应的变换矩阵。

本实施例中的电弧放电加工机器人的坐标关系如图1所示。其中{B}代表基坐标系(即坐标系Ox₀y₀z₀)，{W}代表腕部坐标系(即坐标系Ox₆y₆z₆)，{T}代表工具坐标系，{S}代表工作台坐标系，{G}代表工件坐标系；机器人工具坐标系{T}的原点位于机器人第六轴安装法兰的中心，则工具轴线由端部中心点指向工具坐标系原点，与{T}的Z轴重合。

加工过程中，工具坐标系{T}的三个坐标轴分别为n(x_T)，o(y_T)，a(z_T)，工具坐标系原点O_T在工件坐标系中的坐标为(P_x,P_y,P_z)。图2中所示为工具在插值点i约束曲面的运动轨迹，此时约束曲面相对于工件坐标系曲面在Z轴方向旋转了α角。图3显示了工具在插值点i约束直线的运动轨迹，此时约束直线相对于工件坐标系曲线在Z轴方向旋转了β角。所述的步骤2中的工具坐标系相对于工件坐标系的位姿变换矩阵为：

所述的机器人坐标系的位姿变化矩阵简化方法为：采用位置确定的夹具禁固住工件，并使夹具与工具的轴心线与腕部坐标系的Z轴重合，则工件坐标系{G}与工作台坐标系{S}可重合，因此工具坐标系{T}相对于腕部坐标系仅在Z轴方向的移动P_z，这时的转换矩阵只有平移变换关系。

(3)简化运动学方程的求解过程，求出关节角度。

所述的步骤3中在工艺约束运动简化求正解时，设置θ₄，θ₅保持瞬时相对静止，只改变θ₂，θ₃值，即可实现曲面法矢量上的直线微动，这样可以在线快速地计算出工具末端中心点在工件表面的相对位置。在离线编程系统求逆解时，根据已知末端执行器相对于基坐标系{B}的位姿，可求关节位移θ₁，θ₂……θ_n的值，即将工作空间内机器人末端执行器的位置和姿态转化为关节位移的方法。

所述的运动学方程求解中在工艺约束运动简化求逆解时，由于五坐标G代码对欧拉角的3个分量(α,β,γ)中的γ没有指定(γ为工具轴线旋转方向)，需要预先给定γ，即去冗余过程。为了保证工具端面损耗均匀，工具末端将按恒定速率在工具坐标系下旋转，此时θ₆值在工艺约束运动时是时间的确定函数值。关节角度θ₂，θ₃都可以求出，但在求解的过程当中，会出现两组解情况，表明机器人到达指定目标有两种位置和姿态。这时需要首先根据关节角范围进行取舍，然后选用最接近机械臂当前位置的结果作为第一解。

(4)简化运动学方程的求解过程，求出速度和加速度。

所述的动力学方程求解中工艺速度F与平均物理量u之间可表示为二次线性方程。

F＝au²+bu+c

根据简化只求解2和3的动力学特性，仅研究这两个关节速度变化时工具的速度和加速度变化，这时只需计算工具线速度v的传递比，而角速度ω的传递比设置为单位矩阵。而工具线速度v的值只与关节2，3相关，因此相应的雅克比矩阵可简化为如下所示的3×3的齐次矩阵。

^TJ(q)＝[^TJ₁(q),^TJ₂(q),^TJ₃(q)]

请同时参照图4和图5，在完成以上工作后，系统可根据有限空间曲面的约束运动简化求得空间曲面内的工艺状态变化，从而促进机器人加工工艺稳定。在线加工时，需要建立工艺约束运动模块与实时在线加工控制系统的通讯。根据目标机器人的运动规则，拟采用两种方法建立空间自由运动与工艺约束运动的位姿数据交互：将工艺运动控制模块植入到机器人控制器，成为机器人运动控制系统的一部分；或者将运动控制模块通过网络实时传输给机器人控制器，成为机器人运动控制系统之外的独立部分。此时，机器人控制器就能根据传感器反馈的工艺状态物理量控制机器人完成工艺约束运动，上述工艺约束运动在线控制流程如图4所示。在工艺过程控制中，当采用较大进给速率时，工具会产生不正常状态，进而产生加工异常而导致加工不能继续进行。这时要能及时停止加工运行，以确保加工安全。通过在加工轨迹上设置短路回退基准点，在发生加工异常时，工具能可及时采取保护运动而运行至回退基准点，保证加工能不间断地进行。

上面结合附图对本发明进行了示例性的描述，显然本发明的实现并不受上述方式的限制，只要采用了本发明技术方案进行的各种改进，或未经改进讲本发明的构思和技术方案直接用于其他场合的，均在本发明的保护范围内。

Claims (9)

1.一种工业机器人加工工艺自适应的空间运动方法，能够实现工业机器人控制系统采集外部传感器传递的物理量，在有限空间内完成一种空间约束运动以调整工艺状态的轨迹；其主要的操作方式为：首先机器人控制系统采集外部传感器物理量，感知工艺状态变化，并建立工艺约束与空间运动融合机制的数学模型；其次运用齐次变化法对机器人坐标系进行位姿描述和转化；然后简化运动学方程的求解过程，解算出实时的关节角度；最后简化运动学方程的求解过程，求出速度和加速度，从而实现一种以空间运动量补偿工艺状态变化量的工艺过程控制方法。

2.根据权利要求书1所述的工业机器人加工工艺自适应的空间运动方法，其特征在于：所述工艺约束与空间运动融合机制的数学模型的建立方式为：以传感器物理量的变化量和变化率作为机器人加工状态的表征，基于D-H方法建立工艺约束运动融合机制的数学模型，该数学模型包括工艺约束运动映射到有对应关系连杆的位移，速度和加速度关系。

3.根据权利要求书1所述的工业机器人加工工艺自适应的空间运动方法，其特征在于：所述机器人坐标系转换中工具坐标系相对于工件坐标系的位姿变换矩阵为：

其中{T}代表工具坐标系，{G}代表工件坐标系，同时工具坐标系{T}的三个坐标轴分别为n(x_T)，o(y_T)，a(z_T)，工具坐标系原点O_T在工件坐标系中的坐标为(P_x,P_y,P_z)，α为约束曲面相对于工件坐标系曲面在Z轴旋转的角度，β为约束曲线对于工件坐标系曲线在Z轴方向旋转的角度。

4.根据权利要求书3所述的工业机器人加工工艺自适应的空间运动方法，其特征在于：所述机器人坐标系转换的简化方法为：采用位置确定的夹具禁固住工件，并使夹具与工具的轴心线与腕部坐标系的Z轴重合，则工件坐标系{G}与工作台坐标系{S}可重合，因此工具坐标系{T}相对于腕部坐标系仅在Z轴方向的移动P_z，这时的转换矩阵只有平移变换关系。

5.根据权利要求书1所述的工业机器人加工工艺自适应的空间运动方法，其特征在于：所述简化运动学方程计算方法包括如下步骤：在工艺约束运动简化求正解时，设置θ₄，θ₅保持瞬时相对静止，只改变θ₂，θ₃值，即可实现曲面法矢量上的直线微动，这样可以在线快速地计算出工具末端中心点在工件表面的相对位置；在离线编程系统求逆解时，根据已知末端执行器相对于基坐标系{B}的位姿，可求关节位移θ₁，θ₂……θ_n的值，即将工作空间内机器人末端执行器的位置和姿态转化为关节位移的方法。

6.根据权利要求书5所述的工业机器人加工工艺自适应的空间运动方法，其特征在于：在所述工艺约束简化运动求逆解算法中，由于五坐标G代码对欧拉角的3个分量(α,β,γ)中的γ没有指定(γ为工具轴线旋转方向)，需要预先给定γ，即去冗余过程；为了保证工具端面损耗均匀，工具末端将按恒定速率在工具坐标系下旋转，此时θ₆值在工艺约束运动时是时间的确定函数值；关节角度θ₂，θ₃都可以求出，但在求解的过程当中，会出现两组解情况，表明机器人到达指定目标有两种位置和姿态；这时需要首先根据关节角范围进行取舍，然后选用最接近机械臂当前位置的结果作为第一解。

7.根据权利要求书1所述的工业机器人加工工艺自适应的空间运动方法，其特征在于：所述简化动力学方程计算方法还包括如下步骤：工艺速度F与工艺物理量u之间可表示为二次线性方程：

F＝au²+bu+c

根据简化原理，可只求解关节2和3的动力学特性，仅研究这两个关节速度变化时工具的速度和加速度变化，这时只需计算工具线速度v的传递比，而角速度ω的传递比设置为单位矩阵；而工具线速度v的值只与关节2，3相关，因此相应的雅克比矩阵方程可简化为3×3的齐次矩阵^TJ(q)＝[^TJ₁(q),^TJ₂(q),^TJ₃(q)]。

8.如权利要求1所述的的工业机器人加工工艺自适应的空间运动方法，其特征在于：根据目标机器人的运动规则，建立空间自由运动与工艺约束运动的位姿数据的交互方法为：将工艺运动控制模块植入到机器人控制器成为机器人运动控制系统的一部分。

9.如权利要求1所述的的工业机器人加工工艺自适应的空间运动方法，其特征在于：根据目标机器人的运动规则，建立空间自由运动与工艺约束运动的位姿数据的交互方法为：将运动控制模块通过网络实时传输给机器人控制器成为机器人运动控制系统之外的独立部分。