CN109877851B - 一种用于弱刚性壁板加工的移动式双机器人镜像加工系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于弱刚性壁板加工的移动式双机器人镜像加工系统，包括：定位与导航系统、主动铣削机器人、从动支撑机器人和工作台；待加工弱刚性壁板设置在工作台上，主动铣削机器人和从动支撑机器人相对待加工弱刚性壁板镜像设置；定位与导航系统，用于将各主动铣削机器人和从动支撑机器人的全向移动平台引导至加工位置；主动铣削机器人，用于根据获得的主动铣削机器人相对于待加工弱刚性壁板的高精度位置关系，托举铣削末端执行器对待加工弱刚性壁板的待加工面进行铣削和钻孔；从动支撑机器人，用于对待加工弱刚性壁板进行辅助支撑。本发明无需定制专用工装设备，支撑位置更加灵活，可显著提高整体壁板等弱刚性薄壁结构的自动化加工水平。

Description

一种用于弱刚性壁板加工的移动式双机器人镜像加工系统

技术领域

本发明属于工业机器人与智能制造技术领域，尤其涉及一种用于弱刚性壁板加工的移动式双机器人镜像加工系统。

背景技术

大型、轻质、复杂多功能的航天器结构大都采用整体壁板式结构，这类壁板结构较大(1500mm×2500mm左右)、壁厚最薄处只有2mm，经常被设计成圆柱、圆锥或者球壳形状，这类构件(弱刚性壁板)具有尺寸大、刚性弱、结构复杂等特点，加工中易变形、精度难以保证，其高效高质量制造是当前亟待解决的难题。

当前整体壁板的加工一般在大型五轴数控加工中心上完成。由于壁板非平面结构，需要设计一套工装固定壁板毛坯，再将工装固定在机床的工作台上，使得壁板毛坯在机床上完成定位和安装后进行加工。由于航天器功能的不同，壁板的形状、尺寸半径和上面的安装接口都有很大不同，因此在配置工装时，每一块壁板都需要进行单独的设计和安装，过度依靠人工完成，自动化程度不高。

发明内容

本发明的技术解决问题：克服现有技术的不足，提供一种用于弱刚性壁板加工的移动式双机器人镜像加工系统，可用于弱刚性壁板的加工，其中一台主动铣削机器人进行壁板铣削加工，另一台主动铣削机器人从弱刚性壁板的背面对主动铣削机器人加工部位处进行支撑，以提高加工部位的刚性，减小零件受铣削力变形和加工振动。与传统的加工相比，本发明无需定制专用工装设备，支撑位置更加灵活，可显著提高整体壁板等弱刚性薄壁结构的自动化加工水平。

为了解决上述技术问题，本发明公开了一种用于弱刚性壁板加工的移动式双机器人镜像加工系统，包括：定位与导航系统、主动铣削机器人、从动支撑机器人和工作台；其中，待加工弱刚性壁板设置在工作台上，主动铣削机器人和从动支撑机器人相对待加工弱刚性壁板镜像设置；定位与导航系统，包括：安装在室内的若干台GPS发射站，以及安装在主动铣削机器人和从动支撑机器人的全向移动平台上的接收站；

定位与导航系统，用于将各主动铣削机器人和从动支撑机器人的全向移动平台引导至加工位置，使各主动铣削机器人和从动支撑机器人的运动范围能够覆盖待加工弱刚性壁板的待加工面；

主动铣削机器人，用于通过高精度定位相机拍摄待加工弱刚性壁板，获得主动铣削机器人相对于待加工弱刚性壁板的高精度位置关系，托举铣削末端执行器对待加工弱刚性壁板的待加工面进行铣削和钻孔；

从动支撑机器人，用于通过由主动铣削机器人获得的高精度位置关系，对待加工弱刚性壁板进行辅助支撑。

在上述用于弱刚性壁板加工的移动式双机器人镜像加工系统中，工作台由普通的铸铁平面工作台组成；其中，待加工弱刚性壁板放置在工作台上方，通过压板螺钉与工作台固联，保证待加工弱刚性壁板在未加工状态下保持与工作台静止不动；在加工过程中，结合从动支撑机器人实现对待加工弱刚性壁板的辅助支撑。

在上述用于弱刚性壁板加工的移动式双机器人镜像加工系统中，

主动铣削机器人，用于在定位与导航系统的引导下，移动到安装有待加工弱刚性壁板的工作台附近，以使主动铣削机器人位于待加工弱刚性壁板的一侧；

同时，

从动支撑机器人，用于在从动支撑机器人在定位与导航系统的引导下，移动到待加工弱刚性壁板相对应的另一侧附近，即从动机器人支撑范围能够覆盖主动铣削机器人加工过程中，待加工弱刚性壁板上需要支撑的部位。

在上述用于弱刚性壁板加工的移动式双机器人镜像加工系统中，

主动铣削机器人，用于通过高精度定位相机拍摄待加工弱刚性壁板，获得主动铣削机器人相对于待加工弱刚性壁板的高精度位置关系，以及，通过高精度定位相机拍摄从动支撑机器人，获得从动机器人相对于待加工弱刚性壁板的高精度位置关系。

在上述用于弱刚性壁板加工的移动式双机器人镜像加工系统中，

主动铣削机器人，还用于采用获得主动铣削机器人相对于待加工弱刚性壁板的高精度位置关系，替换预先编制的加工路径中携带的主动铣削机器人相对待加工弱刚性壁板的位置关系，得到修正后的加工路径；根据修正后的加工路径对待加工弱刚性壁板进行铣削加工；

从动支撑机器人，还用于根据从动机器人运动轨迹与主动铣削机器人运动轨迹的耦合关系，在主动铣削机器人对待加工弱刚性壁板进行铣削加工时，对待加工弱刚性壁板进行辅助支撑。

在上述用于弱刚性壁板加工的移动式双机器人镜像加工系统中，从动机器人运动轨迹与主动铣削机器人运动轨迹的耦合关系如下：

从动支撑机器人刀具坐标系的各个轴输出值AL_j2受到从动支撑机器人的轴设定值L_j2影响，为保证从动支撑机器人的各个运动轴能够跟随主动铣削机器人运动，各个轴输出值AL_j2还受到主动铣削机器人独立轴FA_i1影响，组成耦合关系：AL_j2＝FA_i1+L_j2；其中，j＝x、y、z，i＝x、y、z，下标“1”表示主动铣削机器人，下标“2”表示从动支撑机器人；x、y和z分别表示x轴、y轴和z轴。

在上述用于弱刚性壁板加工的移动式双机器人镜像加工系统中，主动铣削机器人独立轴FA_i1由以下因素构成：主动铣削机器人刀具坐标系轴设定值L_i1、主动铣削机器人轴同步值SL_i1、耦合系数KF_i；

FA_i1＝KF_i(L_i1+SL_i1)。

在上述用于弱刚性壁板加工的移动式双机器人镜像加工系统中，主动铣削机器人刀具坐标系轴设定值L_i1是指主动铣削机器人在离线编程时的理论值，即双机器人镜像加工系统加工前，需要在离线编程软件中将主动铣削机器人的运动轨迹进行规划后处理为双机器人镜像加工系统能够识别的坐标值，指导主动铣削机器人按照预先规划的程序执行。

在上述用于弱刚性壁板加工的移动式双机器人镜像加工系统中，主动铣削机器人轴同步值SL_i1(i＝x、y、z)是指受到定位与导航系统精度和主动铣削机器人全向移动平台运动精度的共同限制。

在上述用于弱刚性壁板加工的移动式双机器人镜像加工系统中，耦合系数KF_i是指受到待加工弱刚性壁板的待加工面曲率半径的影响因子，主动铣削机器人刀具坐标系轴设定值L_i1和主动铣削机器人轴同步值SL_i1无法直接作用于从动支撑机器人，需要根据待加工弱刚性壁板的几何形状，设定耦合系数KF_i的取值，确定从动支撑机器人受到主动铣削机器人轴运动的影响因子。

本发明具有以下优点：

(1)本发明无需定制专用的工装设备即可完成弱刚性壁板的加工。由于航空航天壁板结构件，大多为单件小批量生产，受到结构轻量化的限制，大多为薄壁弱刚性结构，因此需要设计工装进行辅助支撑，以减小加工时产生的变形和振动。若每一块壁板加工都定制一套工装，则成本高，浪费严重。本系统通过两台机器人，只要简单的压板螺钉将壁板毛坯固定在工作台上即可，无需专门的工装。主动机器人在铣削壁板的同时，从动机器人跟随主动机器人对加工点附近进行辅助支撑，支撑位置更加灵活，可显著提高整体壁板等弱刚性薄壁结构的自动化加工水平。

(2)本发明可在同一个定位与导航系统引导下实现多个壁板的并行高精加工。本系统采用移动式机器人由全向移动平台+六自由度工业机械臂+铣削(辅助支撑)末端执行器组成，可以实现工件保持不动，机器人移动加工的多机器人并行加工模式。只要在同一个大范围定位与导航系统的控制场景中，可以实现多台机器人围绕多个壁板工件进行并行加工。移动机器人上的高精度定位相机可实现对工件的精准定位找正，即使在大范围定位与导航系统定位精度不高的情况下，通过对机器人末端执行器的精准定位，从而实现高精度加工。

(3)本发明通过建立主、从机器人的耦合关系实现柔性镜像加工。以往的多机器人协同作业单元，其机器人底座的相对位置关系是固定不变的，因此这两台机器人的运动轨迹通过离线规划，在指定的时间点到达指定的位置，即可实现简单的机器人协同运动。本系统中使用了两台移动机器人，相当于机器人底座的相对位置关系是随着全向移动平台的相对位置关系不同而发生变化的，加工时机器人到达的实际位置和离线规划的位置可能存在偏差，因此建立了主、从机器人的运动耦合关系，使得从动机器人的运动与其离线规划的轴设定值、主动机器人轴设定值和主动机器人轴同步值都建立了关联，从而在当移动机器人全向平台到达的实际位置与离线规划位置不是同一点时，通过这种耦合关系，在无需重新规划各台机器人运动轨迹，即完成现场加工轨迹的实时调整，从而使得系统更加柔性化。

附图说明

图1是本发明实施例中一种用于弱刚性壁板加工的移动式双机器人镜像加工系统的结构框图；

图2是本发明实施例中一种从动机器人运动轨迹与主动铣削机器人运动轨迹的耦合关系示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明公开的实施方式作进一步详细描述。

在本发明实施例公开了一种用于弱刚性壁板加工的移动式双机器人镜像加工系统，采用镜像加工，为弱刚性壁板的加工提供了新的思路。采用镜像加工的方案，只要简单的压板螺钉将待加工弱刚性壁板固定在工作台上即可，无需专门的工装，主动铣削机器人在铣削壁板的同时，从动支撑机器人跟随主动铣削机器人对加工点附近进行辅助支撑，支撑位置更加灵活，可显著提高整体壁板等弱刚性薄壁结构的自动化加工水平。

如图1，在本实施例中，该用于弱刚性壁板加工的移动式双机器人镜像加工系统，包括：定位与导航系统、主动铣削机器人、从动支撑机器人和工作台。其中，待加工弱刚性壁板设置在工作台上，主动铣削机器人和从动支撑机器人相对待加工弱刚性壁板镜像设置。

在本实施例中，定位与导航系统，包括：安装在室内的若干台GPS发射站，以及安装在主动铣削机器人和从动支撑机器人的全向移动平台上的接收站；用于将各主动铣削机器人和从动支撑机器人的全向移动平台引导至加工位置，使各主动铣削机器人和从动支撑机器人的运动范围能够覆盖待加工弱刚性壁板的待加工面。

主动铣削机器人主要由全向移动平台、六自由度工业机器人、高精度定位相机(该高精度定位相机定位精度在0.05mm以内)和铣削末端执行器组成，高精度定位相机和铣削末端执行器均安装在六自由度工业机器人的末端法兰盘上。全向移动平台托举其上的六自由度工业机器人移动到安装有待加工弱刚性壁板的工作台附近(指主动铣削机器人的加工行程能够覆盖待加工弱刚性壁板的待加工面)，高精度定位相机拍摄待加工弱刚性壁板，获得主动铣削机器人相对于待加工弱刚性壁板的高精度位置关系，托举铣削末端执行器对待加工弱刚性壁板的待加工面进行铣削和钻孔。

从动支撑机器人主要由全向移动平台、六自由度工业机器人和支撑末端执行器组成，全向移动平台托举其上的六自由度工业机器人移动到安装有待加工弱刚性壁板的工作台附近，其位置在待加工弱刚性壁板的另外一侧，从动支撑机器人相对于待加工弱刚性壁板的高精度位置关系，将由主动铣削机器人上的高精度定位相机拍摄获得。从动支撑机器人主要用于通过由主动铣削机器人获得的高精度位置关系，对待加工弱刚性壁板进行辅助支撑。

工作台由普通的铸铁平面工作台组成。其中，待加工弱刚性壁板放置在工作台上方，通过压板螺钉与工作台固联，保证待加工弱刚性壁板在未加工状态下保持与工作台静止不动；在加工过程中，结合从动支撑机器人实现对待加工弱刚性壁板的辅助支撑。

在本发明的一优选实施例中，主动铣削机器人，用于在定位与导航系统的引导下，移动到安装有待加工弱刚性壁板的工作台附近，以使主动铣削机器人位于待加工弱刚性壁板的一侧；同时，从动支撑机器人，用于在从动支撑机器人在定位与导航系统的引导下，移动到待加工弱刚性壁板相对应的另一侧附近，即从动机器人支撑范围能够覆盖主动铣削机器人加工过程中，待加工弱刚性壁板上需要支撑的部位。

在本发明的一优选实施例中，主动铣削机器人，用于通过高精度定位相机拍摄待加工弱刚性壁板，获得主动铣削机器人相对于待加工弱刚性壁板的高精度位置关系，以及，通过高精度定位相机拍摄从动支撑机器人，获得从动机器人相对于待加工弱刚性壁板的高精度位置关系。

在本发明的一优选实施例中，主动铣削机器人，还用于采用获得主动铣削机器人相对于待加工弱刚性壁板的高精度位置关系，替换预先编制的加工路径中携带的主动铣削机器人相对待加工弱刚性壁板的位置关系，得到修正后的加工路径；根据修正后的加工路径对待加工弱刚性壁板进行铣削加工。从动支撑机器人，还用于根据从动机器人运动轨迹与主动铣削机器人运动轨迹的耦合关系，在主动铣削机器人对待加工弱刚性壁板进行铣削加工时，对待加工弱刚性壁板进行辅助支撑。

在本发明的一优选实施例中，如图2，从动机器人运动轨迹与主动铣削机器人运动轨迹的耦合关系如下：

从动支撑机器人刀具坐标系的各个轴输出值AL_j2受到从动支撑机器人的轴设定值L_j2影响，为保证从动支撑机器人的各个运动轴能够跟随主动铣削机器人运动，各个轴输出值AL_j2还受到主动铣削机器人独立轴FA_i1影响，组成耦合关系：AL_j2＝FA_i1+L_j2；其中，j＝x、y、z，i＝x、y、z，下标“1”表示主动铣削机器人，下标“2”表示从动支撑机器人；x、y和z分别表示x轴、y轴和z轴。

优选的，主动铣削机器人独立轴FA_i1由以下因素构成：主动铣削机器人刀具坐标系轴设定值L_i1、主动铣削机器人轴同步值SL_i1、耦合系数KF_i；

FA_i1＝KF_i(L_i1+SL_i1)。

优选的，主动铣削机器人刀具坐标系轴设定值L_i1是指主动铣削机器人在离线编程时的理论值，即双机器人镜像加工系统加工前，需要在离线编程软件中将主动铣削机器人的运动轨迹进行规划后处理为双机器人镜像加工系统能够识别的坐标值，指导主动铣削机器人按照预先规划的程序执行。

优选的，主动铣削机器人轴同步值SL_i1(i＝x、y、z)是指受到定位与导航系统精度和主动铣削机器人全向移动平台运动精度的共同限制。

优选的，耦合系数KF_i是指受到待加工弱刚性壁板的待加工面曲率半径的影响因子，主动铣削机器人刀具坐标系轴设定值L_i1和主动铣削机器人轴同步值SL_i1无法直接作用于从动支撑机器人，需要根据待加工弱刚性壁板的几何形状，设定耦合系数KF_i的取值，确定从动支撑机器人受到主动铣削机器人轴运动的影响因子。

基于上述实施例可知，该用于弱刚性壁板加工的移动式双机器人镜像加工系统的工作流程如下：

定位：将待加工弱刚性壁板通过简易的压板螺钉与工作台固定，主动铣削机器人在定位与导航系统的引导下，移动到安装有待加工弱刚性壁板的工作台附近。同样，在待加工弱刚性壁板的另外一侧，从动支撑机器人在定位与导航系统的引导下，移动到待加工弱刚性壁板另一侧附近。

找正：主动铣削机器人上的高精度定位相机拍摄待加工弱刚性壁板，获得主动铣削机器人相对于待加工弱刚性壁板的高精度位置关系，之后高精度定位相机拍摄从动支撑机器人，获得从动支撑机器人相对于待加工弱刚性壁板的高精度位置关系。

加工：由于主动铣削机器人和从动支撑机器人相对于待加工弱刚性壁板的位置关系都是通过高精度定位相机获得，对于主动铣削机器人的加工路径可以通过预先编制获得，只需要将编程时主动铣削机器人相对工件的位置关系替换为实际高精度定位相机获得的位置关系即可。而预先编制的从动支撑机器人运动轨迹不但需要跟随主动铣削机器人的运动轨迹，同时还要实现对待加工弱刚性壁板的被加工位置附近的柔性支撑。

本说明中的各个实施例均采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可。

以上所述，仅为本发明最佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

本发明说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员的公知技术。

Claims (2)

1.一种用于弱刚性壁板加工的移动式双机器人镜像加工系统，其特征在于，包括：定位与导航系统、主动铣削机器人、从动支撑机器人和工作台；其中，待加工弱刚性壁板设置在工作台上，主动铣削机器人和从动支撑机器人相对待加工弱刚性壁板镜像设置；定位与导航系统，包括：安装在室内的若干台GPS发射站，以及安装在主动铣削机器人和从动支撑机器人的全向移动平台上的接收站；

定位与导航系统，用于将各主动铣削机器人和从动支撑机器人的全向移动平台引导至加工位置，使各主动铣削机器人和从动支撑机器人的运动范围能够覆盖待加工弱刚性壁板的待加工面；其中，主动铣削机器人位于待加工弱刚性壁板的一侧，从动支撑机器人位于待加工弱刚性壁板相对应的另一侧；

主动铣削机器人，用于通过高精度定位相机拍摄待加工弱刚性壁板，获得主动铣削机器人相对于待加工弱刚性壁板的高精度位置关系，以及，通过高精度定位相机拍摄从动支撑机器人，获得从动支撑机器人相对于待加工弱刚性壁板的高精度位置关系；采用获得主动铣削机器人相对于待加工弱刚性壁板的高精度位置关系，替换预先编制的加工路径中携带的主动铣削机器人相对待加工弱刚性壁板的位置关系，得到修正后的加工路径；根据修正后的加工路径对待加工弱刚性壁板进行铣削加工；

从动支撑机器人，用于在定位与导航系统的引导下，移动到待加工弱刚性壁板相对应的另一侧附近，即从动支撑机器人支撑范围能够覆盖主动铣削机器人加工过程中，待加工弱刚性壁板上需要支撑的部位；根据从动支撑机器人运动轨迹与主动铣削机器人运动轨迹的耦合关系，在主动铣削机器人对待加工弱刚性壁板进行铣削加工时，对待加工弱刚性壁板进行辅助支撑；

其中，从动支撑机器人运动轨迹与主动铣削机器人运动轨迹的耦合关系如下：

从动支撑机器人刀具坐标系的各个轴输出值AL_j2受到从动支撑机器人的轴设定值L_j2影响，为保证从动支撑机器人的各个运动轴能够跟随主动铣削机器人运动，各个轴输出值AL_j2还受到FA_i1的影响，组成耦合关系：AL_j2＝FA_i1+L_j2；其中，j＝x、y、z，i＝x、y、z，下标“1”表示主动铣削机器人，下标“2”表示从动支撑机器人；x、y和z分别表示x轴、y轴和z轴；FA_i1指从动支撑机器人刀具坐标系的各个轴输出值受到主动铣削机器人独立轴运动的影响因子；

FA_i1由以下因素构成：主动铣削机器人刀具坐标系轴设定值L_i1、主动铣削机器人轴同步值SL_i1、耦合系数KF_i；

FA_i1＝KF_i(L_i1+SL_i1)

其中，主动铣削机器人刀具坐标系轴设定值L_i1是指主动铣削机器人在离线编程时的理论值，即双机器人镜像加工系统加工前，需要在离线编程软件中将主动铣削机器人的运动轨迹进行规划后处理为双机器人镜像加工系统能够识别的坐标值，指导主动铣削机器人按照预先规划的程序执行；主动铣削机器人轴同步值SL_i1(i＝x、y、z)受到定位与导航系统精度和主动铣削机器人全向移动平台运动精度的共同限制；耦合系数KF_i是指受到待加工弱刚性壁板的待加工面曲率半径的影响因子，主动铣削机器人刀具坐标系轴设定值L_i1和主动铣削机器人轴同步值SL_i1无法直接作用于从动支撑机器人，需要根据待加工弱刚性壁板的几何形状，设定耦合系数KF_i的取值，确定从动支撑机器人刀具坐标系的各个轴输出值受到主动铣削机器人独立轴运动的影响因子FA_i1。

2.根据权利要求1所述的用于弱刚性壁板加工的移动式双机器人镜像加工系统，其特征在于，工作台由普通的铸铁平面工作台组成；其中，待加工弱刚性壁板放置在工作台上方，通过压板螺钉与工作台固联，保证待加工弱刚性壁板在未加工状态下保持与工作台静止不动；在加工过程中，结合从动支撑机器人实现对待加工弱刚性壁板的辅助支撑。

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