CN109366503A - 基于移动式混联机器人的面向大型构件的加工工艺方法 - Google Patents

基于移动式混联机器人的面向大型构件的加工工艺方法 Download PDF

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Abstract

基于移动式混联机器人的面向大型构件的加工工艺方法，首先在工件整体坐标系下规划得到机器人的移动路径、加工路径，根据加工站位得到各个工件局部坐标系与工件整体坐标系的坐标系转换关系矩阵，然后控制机器人寻位至加工站位，对工件局部坐标系进行局部测量，确定全向移动平台基坐标系与工件整体坐标系的坐标系转换关系矩阵，得到转换矩阵误差，进而对移动式混联机器人的实际全向移动平台基坐标系进行修正，最后按照修正后的全向移动平台基坐标系，执行加工规划路径，并对机器人站位下加工的局部特征进行检测、评价。

Description

基于移动式混联机器人的面向大型构件的加工工艺方法
技术领域
本发明涉及机械制造领域，特别是基于移动式混联机器人的面向大型构件的加工工艺方法。
背景技术
在航空、航天、轨道交通、武器装备、海洋工程等领域的制造过程中，装备高质量、大尺寸的特点，导致现有的制造设备在行程和功能上无法满足其加工要求，且部分装备的加工、装配过程仍基本依靠人工和少量专用工装完成，劳动强度大、装配效率低，其加工、装配、测试等制造瓶颈问题日益突出，主要表现为：超大结构产品的制造超出现有加工设备的能力范围，如果在现有机床上改造或者研制专用超大型机床，造价昂贵，经济性差；制造过程复杂、工序繁多、任务繁重，周期性要求紧；制造过程柔性、自动化水平需要提升。
机器人化作业装备是我国载人航天、大型商用客机、高速列车等高端制造领域实现大型构件现场加工所亟需的新型工艺装备。因要求现场加工装备同时兼顾系统柔性、加工效率和加工精度，现有的关节型机器人难以满足这一需求。采用由高速、高精度、高动特性混联机器人构成的机器人移动工作站是解决这一问题的重要发展趋势。
移动式混联机器人具备全向移动的移动式系统，不需要预先在厂房内铺设导轨，可实现超大范围内的工位转换。根据工作任务、流程安排，快速改变工艺布局，真正意义上实现产品的智能化柔性制造。
发明内容
本发明解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供了基于移动式混联机器人的面向大型构件的加工工艺方法，可以使用移动式混联机器人灵活、快速、准确完成大型产品钻铣加工，从而缩短大型产品在不同加工工位之间的轮转，提高效率，降低成本。
本发明的技术解决方案是：基于移动式混联机器人的面向大型构件的加工工艺方法，包括如下步骤：
(1)建立工件整体坐标系，在工件整体坐标系下规划得到移动式混联机器人移动至加工工件移动路径、移动式混联机器人对加工工件进行加工的路径；
(2)采用激光跟踪仪建立全局测量场，然后根据加工站位得到各个工件局部坐标系与工件整体坐标系的坐标系转换关系矩阵；
(3)控制移动式混联机器人根据移动式混联机器人移动至加工工件移动路径自寻位至对应的加工站位；其中，工件局部坐标系对应的加工站位使得移动式混联机器人能够覆盖工件局部坐标系内所需的加工特征；
(4)对移动式混联机器人当前站位对应的工件局部坐标系进行局部测量，确定全向移动平台基坐标系与工件整体坐标系的坐标系转换关系矩阵，然后与根据步骤(1)中的路径规划得到的两者之间的坐标转化矩阵进行比对，得到转换矩阵误差，进而对移动式混联机器人的实际全向移动平台基坐标系进行修正；
(5)按照修正后的全向移动平台基坐标系，执行步骤(1)中混联加工机器人的加工规划路径；
(6)对当前移动式混联机器人站位下加工的局部特征进行检测，使用步骤(2)得到的工件局部坐标系与工件整体坐标系的坐标系转换关系矩阵，对加工形貌情况在工件整体坐标系进行评价，完成加工。
所述的工件整体坐标系的原点位于加工对象的质心，X轴一般指向长边方向，Z轴垂直向上，Y轴符合右手定则。
所述的移动式混联机器人包括全向移动平台模块、混联加工机器人模块、高精度视觉测量系统模块、数控系统模块，其中：全向移动平台模块实现移动式混联机器人的全方位移动，混联机构加工机器人模块安装于全向移动平台模块上，末端配备电主轴、刀柄和刀具，实现多自由度混联加工，高精度视觉测量系统模块安装于混联机构加工机器人末端，采用双目条纹投影法获取工件表面的点云数据，实现点的快速匹配、工件局部三维形貌拼接，数控系统模块实现移动式混联机器人的运动控制。
所述的全向移动平台模块通过高刚度车体及四角力传感真空吸盘地角支撑，实现移动式混联机器人工作过程中的高稳定性支撑及自适应重心调节，通过视觉+激光+iGPS复合式自动导航与避障方法，实现移动式混联机器人的定位精度。
所述的全向移动平台基坐标系的原点为模块质心，Z轴垂直平台表面向上，X轴指向车体长边，Y轴符合右手定则。
所述的步骤(5)中按照修正后的全向移动平台基坐标系，执行步骤(1)中混联加工机器人的加工规划路径的方法为：
数控系统模块将加工规划路径转换为混联加工机器人电机转动的角度和速度，带动主轴末端的刀具转动，在工件上进行切削加工，同时在加工过程中数控系统模块动态监控混联加工机器人参数，包括电机电流和电压、编码器的转动速度和角度、主轴转速进给，当出现异常时，混联加工机器人立即停止加工。
所述的对加工形貌情况在工件整体坐标系进行评价的内容包括：尺寸公差、形位公差和粗糙度，其中，形位公差包括平面度、平行度、圆度、同轴度。
所述的全向移动平台模块包括至少两个麦克纳姆轮；其中，至少两个麦克纳姆轮安装在全向移动平台下方；各麦克纳姆轮由全向移动平台控制模块分别独立控制，按照移动轨迹指令进行移动，直至加工工位；在移动至加工工位后，各稳定支撑结构在移动轨迹指令控制下进行伸缩运动，实现对全向移动平台的稳定支撑，并进行自适应调平，以保证后续加工。
所述的全向移动平台模块还包括力传感器、位移传感器、倾角传感器和至少两个稳定支撑结构；其中，位移传感器、倾角传感器和至少两个稳定支撑结构设置在全向移动平台上，力传感器安装在稳定支撑结构上；
稳定支撑结构，用于稳定支撑全向移动平台，可伸缩运动，全向移动平台在移动至加工工位后，通过稳定支撑结构进行伸缩运动；
力传感器，用于对各稳定支撑结构的受力进行实时监测；
位移传感器，用于对各稳定支撑结构的伸缩长度进行实时测量；
倾角传感器，用于对全向移动平台在水平面内的倾角进行实时测量。
本发明与现有技术相比的优点在于：
(1)本发明与现有技术相比，可满足移动式混联机器人加工大型高端装备的加工需求，并且不受加工对象尺寸的不断增加的制约；
(2)本发明通过加工规划确定移动式混联机器人理论加工姿态轨迹，通过全局测量构建实际加工场，作为理论姿态实施的依据；
(3)本发明通过加工定位将移动式混联机器人移动至加工位置，通过加工找正实现机器人坐标系与工件坐标系的快速标定，修正机器人定位精度至可控范围，通过加工完成机器人加工，并结合动态监控保证加工的准确与安全，最后通过形貌检测，完成加工对象在全局坐标系下的三维形貌评价，从而完成用小型装备加工大型、超大型对象的壮举。
附图说明
图1为移动式混联机器人加工工作流程图。
具体实施方式
本发明提出一种基于移动式混联机器人的加工工艺方法，如图1所示为移动式混联机器人加工工作流程图，本发明能根据制造任务或生产环境的变化迅速进行调整布局，适用于多品种、中小批量生产，可扩展应用于航天、航空、轨道交通、海洋工程等多个领域，解决超大结构的加工技术瓶颈。
(1)加工规划；定义工件整体坐标系(一般与设计坐标系重合)，坐标系原点位于加工对象的质心，X轴一般指向长边方向，Z轴垂直向上，Y轴符合右手定则。在工件整体坐标系下，结合工件的加工特征和机器人刚度，对移动式混联机器人的全向移动平台模块进行移动路径规划，得到移动式混联机器人移动至加工工件移动路径，结合工件加工特征的尺寸、形位公差和粗糙度要求，对移动式混联机器人的混联加工机器人模块进行加工路径规划，得到移动式混联机器人对加工工件进行加工的路径规划结果。
移动式混联机器人包括全向移动平台模块、混联加工机器人模块、高精度视觉测量系统模块和数控系统模块。全向移动平台模块的作用是，通过四套麦克纳姆轮系实现移动式混联机器人的全方位移动，通过高刚度车体及四角力传感真空吸盘地角支撑，实现移动式混联机器人工作过程中的高稳定性支撑及自适应重心调节，通过视觉+激光+iGPS复合式自动导航与避障方法，实现移动式混联机器人高定位精度，其中，全向移动平台基坐标系位于该模块质心，Z轴垂直平台表面向上，X轴指向车体长边，Y轴符合右手定则；混联机构加工机器人模块安装于全向移动平台模块上，泛指一类本体采用混联构型，可制成即插即用模块，兼具数控机床加工精度和关节型机器人作业灵活性的机器人化装备，通过在少自由度并联机构(泛指自由度数目界于2和5之间的并联机构)上串接2自由度转头，末端配备电主轴、刀柄和刀具，实现多自由度混联加工，其中，机器人刀具坐标系位于该模块所安装加工刀具的刀尖几何中心点，Z轴沿着刀具轴线从刀尖几何中心点指向远离工件的方向，X轴为刀尖所在平面与水平面交线，Y轴定义符合右手定则；高精度视觉测量系统模块安装于混联机构加工机器人末端执行器上，其作用是采用双目条纹投影法获取工件表面的点云数据，实现高密度三维点云测量，通过条纹投影系统中投影仪内参及投影仪与相机坐标系间位姿关系的标定，实现对应点的快速匹配，采用全局拼接点建立控制网、基于条纹投影传感器测得局部拼接点，实现工件局部三维形貌拼接，其中视觉测量系统坐标系原点与该模块视觉相机坐标系重合；数控系统模块是能够满足移动式混联机器人的数控系统软硬件平台，安装于全向移动平台上，其作用是实现移动式混联机器人机构电机的运动控制、控制和接收高精度视觉测量系统模块上的测量数据、监控移动式混联机器人运行状态。
另外，本发明的全向移动平台模块还可以包括力传感器、位移传感器、倾角传感器和至少两个稳定支撑结构；其中，位移传感器、倾角传感器和至少两个稳定支撑结构设置在全向移动平台上，力传感器安装在稳定支撑结构上；
稳定支撑结构，用于稳定支撑全向移动平台，可伸缩运动，全向移动平台在移动至加工工位后，通过稳定支撑结构进行伸缩运动；
力传感器，用于对各稳定支撑结构的受力进行实时监测；
位移传感器，用于对各稳定支撑结构的伸缩长度进行实时测量；
倾角传感器，用于对全向移动平台在水平面内的倾角进行实时测量。
(2)全局测量：采用激光跟踪仪建立工件全局测量场，建立全局坐标系，规划多站位测量模式下转站精度分布，优化配置转站公共点，以全局坐标系为媒介，确定工件局部坐标系与工件整体坐标系的坐标系转换关系矩阵。
全局坐标系为激光跟踪仪自身定义的坐标系框架，是由激光跟踪仪本身自然生成的坐标系。工件整体坐标系如(1)所述，是工件所有加工特征的基准，所有特征的加工尺寸与形位公差都与工件整体坐标系有关，检测结果也都基于工件整体坐标系。工件局部坐标系是工件所有加工特征的局部基准，是每一个加工特征，或临近的几个加工特征附近，激光跟踪仪和移动式混联机器人高精度视觉测量系统模块都能够拍摄识别的靶标点组i构成，一共有n个靶标点组，则移动混联加工机器人需要移动n次才能加工完成所有型面。靶标点组通常由3个相邻的靶标点组成，这3个靶标点呈接近三角形的布置方式稳定的粘贴或吸附在加工型面附近非加工区域上。
坐标系转换关系矩阵通过以下方式所得：激光跟踪仪在全局坐标系通过特定的精测方法1测得工件整体坐标系，则工件整体坐标系相对全局坐标系件的坐标系转换关系矩阵为激光跟踪仪在全局坐标系通过特定的精测方法1测得局部坐标系，则局部坐标系相对全局坐标系的坐标系转换关系矩阵为若为的可逆矩阵，则
精测方法1的具体操作步骤如下：激光跟踪仪跟踪可以确定三个相邻的靶点分别为RP1、RP2和RP3。其中RP1是坐标系原点、可以确定工件整体坐标系SW X方向为RP1指向RP2。若RP1在全局坐标系SR的值为RP1(RP1X，RP1Y，RP1Z)，同理RP2，RP3，则工件整体坐标系相对全局坐标系件的坐标系转换关系矩阵可由如下方式计算：
其中：
(3)加工定位(粗定位)：在(2)建立的全局测量场中，以全局坐标系为媒介，确定全向移动平台基坐标系与工件整体坐标系的坐标系转换关系矩阵，移动式混联机器人通过全向移动平台模块自寻位至加工站位。
全向移动平台基坐标系如(1)所述，是移动式混联机器人的基础坐标系。在全局测量场中，由于工件相对移动式混联机器人范围更大，要覆盖整个加工范围，移动式混联机器人的全向移动平台模块需要移动到一个站位i，该站位对应一个靶标点组i，在站位i下移动式混联机器人加工过程中全向移动平台模块保持静止不动，并与地面刚性连接，每一次移动式混联机器人移动后的全向移动平台基坐标系SAi分别与一个工件局部坐标系SLi对应。激光跟踪仪通过(2)中所述精测方法1确定每一个全向移动平台基坐标系SAi。则全向移动平台基坐标系SAi相对全局坐标系SR的坐标系转换关系矩阵为若为的可逆矩阵，则受限于全向移动平台站位精度无法达到加工公差要求，全向移动平台基坐标系SAi要求定位精度达到±5mm，但不进入坐标转换关系的计算，仅确定该站位下，混联加工机器人模块能够覆盖这个区域所需加工特征的加工范围即可。
(4)加工找正(精确定位)：采用移动式混联机器人的高精度视觉测量系统模块对当前移动式混联机器人站位下对应的工件局部坐标系进行局部测量。以每个站位下视觉测量系统坐标系为媒介，确定全向移动平台基坐标系与工件整体坐标系的坐标系的坐标系转换关系矩阵以此完成移动式混联机器人的精确定位。在此基础上，计算实际测量得到的全向移动平台基坐标系与工件整体坐标系的坐标系的坐标系转换关系矩阵与(1)中理论的全向移动平台基坐标系与工件整体坐标系的坐标系的坐标系转换关系矩阵之间的误差，将误差反馈至移动式混联机器人的数控系统模块，使用坐标系转换的方法，对移动式混联机器人的实际全向移动平台基坐标系进行修正。
视觉测量系统坐标系STi是移动式混联机器人末端相机自身生成的坐标系。末端相机与主轴之间刚性连接，因此末端相机所建立的视觉测量系统坐标系STi与机器人刀具坐标系只存在一个固定的偏移值，通过一般的标定方法即可获得机器人刀具坐标系。同时视视觉测量系统坐标系STi和移动平台基坐标系SAi是通过混联机器人运动学模型计算得到坐标转换关系末端相机通过(2)中所述精测方法1重新测得工件局部坐标系SLi’，并与(2)中确定的SLi进行拟合。视觉测量系统坐标系STi相对局部坐标系SLi(SLi’)的坐标系转换关系矩阵为工件局部坐标系与工件整体坐标系的坐标系转换关系矩阵由此全向移动平台基坐标系SAi与工件整体坐标系SW的坐标系转换关系矩阵
(5)加工：按照修正后的全向移动平台基坐标系，在混联机器人的数控系统模块上执行(1)中混联加工机器人模块加工规划路径。数控系统模块将路径转换为混联加工机器人模块电机转动的角度和速度，开启主轴，带动主轴末端的刀具转动，在工件上进行切削加工。加工过程中，混联机器人的数控系统模块动态监控机器人各个参数，包括电机的电流和电压，各编码器的转动速度和角度，主轴转速、进给，若上述参数出现异常，则混联机器人的数控系统模块触发急停信号，立即停止加工，直至恢复正常。
(6)检测：采用移动式混联机器人的高精度视觉测量系统模块对当前移动式混联机器人站位下加工的局部特征进行检测，并结合(2)中得到的工件局部坐标系与工件整体坐标系的坐标系转换关系矩阵，对加工形貌情况进行工件整体坐标系下的整体评价。评价标准以高精度视觉测量系统模块实际测得的加工特征点云与理论模型的对比，比较的内容包括：尺寸公差、形位公差和粗糙度。其中尺寸公差满足设计图纸中所规定的公差要求，未注尺寸公差按照GB/T1804-m进行判定；形位公差满足设计图纸中所规定的平面度、平行度、圆度、同轴度，未注形位公差按照GB/T1184-K级进行判定。粗糙度满足设计图纸中所规定的粗糙度要求，若未标注，则满足设计图纸未注粗糙度的要求。
本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。

Claims (10)

1.基于移动式混联机器人的面向大型构件的加工工艺方法，其特征在于包括如下步骤：
(1)建立工件整体坐标系，在工件整体坐标系下规划得到移动式混联机器人移动至加工工件移动路径、移动式混联机器人对加工工件进行加工的路径；
(2)采用激光跟踪仪建立全局测量场，然后根据加工站位得到各个工件局部坐标系与工件整体坐标系的坐标系转换关系矩阵；
(3)控制移动式混联机器人根据移动式混联机器人移动至加工工件移动路径自寻位至对应的加工站位；其中，工件局部坐标系对应的加工站位使得移动式混联机器人能够覆盖工件局部坐标系内所需的加工特征；
(4)对移动式混联机器人当前站位对应的工件局部坐标系进行局部测量，确定全向移动平台基坐标系与工件整体坐标系的坐标系转换关系矩阵，然后与根据步骤(1)中的路径规划得到的两者之间的坐标转化矩阵进行比对，得到转换矩阵误差，进而对移动式混联机器人的实际全向移动平台基坐标系进行修正；
(5)按照修正后的全向移动平台基坐标系，执行步骤(1)中混联加工机器人的加工规划路径；
(6)对当前移动式混联机器人站位下加工的局部特征进行检测，使用步骤(2)得到的工件局部坐标系与工件整体坐标系的坐标系转换关系矩阵，对加工形貌情况在工件整体坐标系进行评价，完成加工。
2.根据权利要求1所述的基于移动式混联机器人的面向大型构件的加工工艺方法，其特征在于：所述的工件整体坐标系的原点位于加工对象的质心，X轴一般指向长边方向，Z轴垂直向上，Y轴符合右手定则。
3.根据权利要求1所述的基于移动式混联机器人的面向大型构件的加工工艺方法，其特征在于：所述的移动式混联机器人包括全向移动平台模块、混联加工机器人模块、高精度视觉测量系统模块、数控系统模块，其中：全向移动平台模块实现移动式混联机器人的全方位移动，混联机构加工机器人模块安装于全向移动平台模块上，末端配备电主轴、刀柄和刀具，实现多自由度混联加工，高精度视觉测量系统模块安装于混联机构加工机器人末端，采用双目条纹投影法获取工件表面的点云数据，实现点的快速匹配、工件局部三维形貌拼接，数控系统模块实现移动式混联机器人的运动控制。
4.根据权利要求3所述的基于移动式混联机器人的面向大型构件的加工工艺方法，其特征在于：所述的全向移动平台模块通过高刚度车体及四角力传感真空吸盘地角支撑，实现移动式混联机器人工作过程中的高稳定性支撑及自适应重心调节，通过视觉+激光+iGPS复合式自动导航与避障方法，实现移动式混联机器人的定位精度。
5.根据权利要求4所述的基于移动式混联机器人的面向大型构件的加工工艺方法，其特征在于：所述的全向移动平台基坐标系的原点为模块质心，Z轴垂直平台表面向上，X轴指向车体长边，Y轴符合右手定则。
6.根据权利要求5所述的基于移动式混联机器人的面向大型构件的加工工艺方法，其特征在于：所述的全向移动平台模块包括至少两个麦克纳姆轮；其中，至少两个麦克纳姆轮安装在全向移动平台下方；各麦克纳姆轮由全向移动平台控制模块分别独立控制，按照移动轨迹指令进行移动，直至加工工位；在移动至加工工位后，各稳定支撑结构在移动轨迹指令控制下进行伸缩运动，实现对全向移动平台的稳定支撑，并进行自适应调平，以保证后续加工。
7.根据权利要求6所述的基于移动式混联机器人的面向大型构件的加工工艺方法，其特征在于：所述的全向移动平台模块还包括力传感器、位移传感器、倾角传感器和至少两个稳定支撑结构；其中，位移传感器、倾角传感器和至少两个稳定支撑结构设置在全向移动平台上，力传感器安装在稳定支撑结构上；
稳定支撑结构，用于稳定支撑全向移动平台，可伸缩运动，全向移动平台在移动至加工工位后，通过稳定支撑结构进行伸缩运动；
力传感器，用于对各稳定支撑结构的受力进行实时监测；
位移传感器，用于对各稳定支撑结构的伸缩长度进行实时测量；
倾角传感器，用于对全向移动平台在水平面内的倾角进行实时测量。
8.根据权利要求7所述的基于移动式混联机器人的面向大型构件的加工工艺方法，其特征在于：所述的对加工形貌情况在工件整体坐标系进行评价的内容包括：尺寸公差、形位公差和粗糙度，其中，形位公差包括平面度、平行度、圆度、同轴度。
9.根据权利要求8所述的基于移动式混联机器人的面向大型构件的加工工艺方法，其特征在于：所述的步骤(5)中按照修正后的全向移动平台基坐标系，执行步骤(1)中混联加工机器人的加工规划路径的方法为：
数控系统模块将加工规划路径转换为混联加工机器人电机转动的角度和速度，带动主轴末端的刀具转动，在工件上进行切削加工，同时在加工过程中数控系统模块动态监控混联加工机器人参数，包括电机电流和电压、编码器的转动速度和角度、主轴转速进给，当出现异常时，混联加工机器人立即停止加工。
10.一种计算机可读存储介质，所述的计算机可读存储介质存储有计算机程序，其特征在于，所述的计算机程序被处理器执行时实现如权利要求1-权利要求6任一所述方法的步骤。
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