CN110977478A - 用于弱刚性支架钻铣的移动式双机器人加工系统和方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种用于弱刚性支架钻铣的移动式双机器人加工系统和方法，该系统包括：全向移动平台，用于在控制系统的控制下，带动抓取机器人和钻铣机器人运动至待加工支架所在位置；抓取机器人，用于在运动至待加工支架所在位置后，在控制系统的控制下，对待加工支架进行抓取，以及实现抓取过程中的柔顺控制；钻铣机器人，用于在待加工支架被抓取至加工工位时，对待加工支架进行平面铣削和钻孔；控制系统，用于对抓取机器人、钻铣机器人和全向移动平台进行综合控制。本发明可用于大型构件上的弱刚性加工面的钻孔和铣削，可有效提高大型结构上弱刚性加工面的自动化水平和加工效率。

Description

用于弱刚性支架钻铣的移动式双机器人加工系统和方法
技术领域
本发明属于移动式机器人高精度加工技术领域，尤其涉及一种用于弱刚性支架钻铣的移动式双机器人加工系统和方法。
背景技术
随着我国在重大结构件制造领域的需求增加，其高精度、高柔性的制造特点对加工装备提出了新的挑战。此类构件往往存在大量的弱刚性待加工特征(例如直径大于3m、长度大于10m的大型密封舱结构表面的仪器设备安装支架)，加工过程中弱刚性特征受到切削力的作用会产生局部变形，影响加工精度与质量。为了增强被加工对象的刚度特性，一种方法是搭建组合夹具对被加工对象进行夹持与定位，以增强其刚度，但该方案需针对待加工对象的不同，重新搭建组合夹具，效率较低。另一种是将待加工对象与大型弱刚性构件本体分体离线加工，再通过测量系统反复装调，但该方案会引入多次装调误差，且工艺不稳定、过程复杂、方法柔性差。因此，迫切需要提高大型构件弱刚性待加工特征的加工效率，消除多次装调误差，简化工艺过程，提高加工过程的智能化与柔性化程度。
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支架钻铣的移动式双机器人加工系统和方法，可用于大型构件上的弱刚性加工面的钻孔和铣削。
为了解决上述技术问题，本发明公开了一种用于弱刚性支架钻铣的移动式双机器人加工系统，包括：抓取机器人、钻铣机器人、全向移动平台和控制系统；其中，抓取机器人和钻铣机器人设置在全向移动平台上；
全向移动平台，用于在控制系统的控制下，带动抓取机器人和钻铣机器人运动至待加工支架所在位置；
抓取机器人，用于在运动至待加工支架所在位置后，在控制系统的控制下，对待加工支架进行抓取，以及实现抓取过程中的柔顺控制；
钻铣机器人，用于在待加工支架被抓取至加工工位时，对待加工支架进行平面铣削和钻孔；
控制系统，用于对抓取机器人、钻铣机器人和全向移动平台进行综合控制。
在上述用于弱刚性支架钻铣的移动式双机器人加工系统中，抓取机器人，包括：抓取机器人本体、六维力传感器、抓取定位相机和抓取末端执行器；
抓取机器人本体的末端设置有法兰盘Ⅰ；
六维力传感器的一端通过所述法兰盘Ⅰ安装在抓取机器人本体的末端，另一端与抓取末端执行器连接；
抓取定位相机通过转接法兰Ⅰ与抓取机器人本体的末端连接。
在上述用于弱刚性支架钻铣的移动式双机器人加工系统中，抓取机器人本体驱动六维力传感器、抓取定位相机和抓取末端执行器运动到待加工支架位置；抓取定位相机拍摄待加工支架周围的局部基准，引导抓取末端执行器对待加工支架进行抓取；六维力传感器对抓取过程进行实现监测，并反馈监测数据；抓取机器人本体根据所述监测数据对抓取末端执行器进行姿态微调整，实现抓取过程的柔顺控制。
在上述用于弱刚性支架钻铣的移动式双机器人加工系统中，钻铣机器人，包括：钻铣末端执行器、钻铣定位相机和钻铣机器人本体；
钻铣机器人本体的末端设置有法兰盘Ⅱ；
钻铣末端执行器通过所述法兰盘Ⅱ安装在钻铣机器人本体的末端；
钻铣定位相机通过转接法兰Ⅱ与钻铣机器人本体的末端连接。
在上述用于弱刚性支架钻铣的移动式双机器人加工系统中，钻铣机器人本体驱动钻铣末端执行器和钻铣定位相机运动到待加工支架位置；钻铣定位相机拍摄待加工支架周围的局部基准，引导钻铣末端执行器对待加工支架进行平面铣削和钻孔。
在上述用于弱刚性支架钻铣的移动式双机器人加工系统中，全向移动平台，包括：全向移动平台本体、导航模块、急停模块、液压支撑机构和麦克纳姆轮；其中，麦克纳姆轮安装在全向移动平台本体的底部，导航模块、急停模块和液压支撑机构安装在全向移动平台本体上；
麦克纳姆轮，用于实现全向移动平台的全方位移动；
导航模块，用于实现全向移动平台的全方位移动过程中的导航定位；
急停模块，用于实现全向移动平台在非正常工况下的紧急制动；
液压支撑机构用于全向移动平台定位后的稳定支撑。
在上述用于弱刚性支架钻铣的移动式双机器人加工系统中，控制系统，包括：多机器人干涉检测模块、多机器人轨迹规划模块和多机器人数据监控模块；
多机器人干涉检测模块，用于对抓取机器人和钻铣机器人进行碰撞干涉监控；
多机器人轨迹规划模块，用于对抓取机器人和钻铣机器人的运动轨迹进行插补运算，根据插补运算结果，分别对抓取机器人和钻铣机器人进行轨迹规划；
多机器人数据监控模块，用于在抓取机器人和钻铣机器人工作过程中，进行数据采集和监控。
在上述用于弱刚性支架钻铣的移动式双机器人加工系统中，碰撞干涉，包括：抓取机器人自身碰撞干涉、钻铣机器人自身碰撞干涉、以及抓取机器人与钻铣机器人之间的碰撞干涉。
在上述用于弱刚性支架钻铣的移动式双机器人加工系统中，待加工支架为：直径大于3m、长度大于10m的大型构件上弱刚性支架。
本发明还公开了一种用于弱刚性支架钻铣的移动式双机器人加工方法，包括：
通过全向移动平台，将抓取机器人和钻铣机器人移动至待加工支架所在位置；
通过抓取机器人对待加工支架进行抓取，以增强待加工支架的刚度特性；
在待加工支架被抓取至加工工位时，通过钻铣机器人对待加工支架进行平面铣削和钻孔。
本发明具有以下优点：
(1)本发明公开了一种用于弱刚性支架钻铣的移动式双机器人加工方案，可用于大型构件上的弱刚性加工面的钻孔和铣削，抓取机器人夹持支架增加刚性的同时钻铣机器人钻铣其上的被加工面，，不需要针对特定的待加工对象搭建新的组合夹具，可有效提高大型结构上弱刚性加工面的自动化水平和加工效率。
(2)本发明公开了一种用于弱刚性支架钻铣的移动式双机器人加工方案，采用移动式双机器人代替了传统的加工过程，系统的柔性更强，能够适应不同的加工对象。
附图说明
图1是本发明实施例中一种用于弱刚性支架钻铣的移动式双机器人加工系统的框图；
图2是本发明实施例中一种用于弱刚性支架钻铣的移动式双机器人加工系统的硬件组成图；
图3是本发明实施例中一种移动式双机器人工作场景示意图；
图4是本发明实施例中一种用于弱刚性支架钻铣的移动式双机器人加工系统的工作流程示意图。
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。
实施例1
如图1～3，在本实施例中，该用于弱刚性支架钻铣的移动式双机器人加工系统，包括：抓取机器人、钻铣机器人、全向移动平台和控制系统。其中，抓取机器人和钻铣机器人设置在全向移动平台上；全向移动平台，用于在控制系统的控制下，带动抓取机器人和钻铣机器人运动至待加工支架所在位置；抓取机器人，用于在运动至待加工支架所在位置后，在控制系统的控制下，对待加工支架进行抓取，以及实现抓取过程中的柔顺控制；钻铣机器人，用于在待加工支架被抓取至加工工位时，对待加工支架进行平面铣削和钻孔；控制系统，用于对抓取机器人、钻铣机器人和全向移动平台进行综合控制。
在本实施例中，抓取机器人具体可以包括：抓取机器人本体1、六维力传感器2、抓取定位相机3和抓取末端执行器4。其中，抓取机器人本体1的末端设置有法兰盘Ⅰ；六维力传感器2的一端通过所述法兰盘Ⅰ安装在抓取机器人本体1的末端，另一端与抓取末端执行器4连接；抓取定位相机3通过转接法兰Ⅰ与抓取机器人本体1的末端连接。
优选的，抓取机器人本体1驱动六维力传感器2、抓取定位相机3和抓取末端执行器4运动到待加工支架位置；抓取定位相机3拍摄待加工支架周围的局部基准，引导抓取末端执行器4对待加工支架进行抓取；六维力传感器2对抓取过程进行实现监测，并反馈监测数据；抓取机器人本体1根据所述监测数据对抓取末端执行器4进行姿态微调整，实现抓取过程的柔顺控制。
在本实施例中，钻铣机器人具体可以包括：钻铣末端执行器5、钻铣定位相机6和钻铣机器人本体7。其中，钻铣机器人本体7的末端设置有法兰盘Ⅱ；钻铣末端执行器5通过所述法兰盘Ⅱ安装在钻铣机器人本体7的末端；钻铣定位相机6通过转接法兰Ⅱ与钻铣机器人本体7的末端连接。
优选的，钻铣机器人本体7驱动钻铣末端执行器5和钻铣定位相机6运动到待加工支架位置；钻铣定位相机6拍摄待加工支架周围的局部基准，引导钻铣末端执行器5对待加工支架进行平面铣削和钻孔。
在本实施例中，全向移动平台具体可以包括：全向移动平台本体9、导航模块、急停模块、液压支撑机构8和麦克纳姆轮，其中，麦克纳姆轮安装在全向移动平台本体9的底部，导航模块、急停模块和液压支撑机构8安装在全向移动平台本体9上。
优选的，麦克纳姆轮，用于实现全向移动平台的全方位移动；导航模块，用于实现全向移动平台的全方位移动过程中的导航定位；急停模块，用于实现全向移动平台在非正常工况下的紧急制动；液压支撑机构8用于全向移动平台定位后的稳定支撑。
在本实施例中，控制系统具体可以包括：多机器人干涉检测模块、多机器人轨迹规划模块和多机器人数据监控模块。其中，多机器人干涉检测模块，用于对抓取机器人和钻铣机器人进行碰撞干涉监控；多机器人轨迹规划模块，用于对抓取机器人和钻铣机器人的运动轨迹进行插补运算，根据插补运算结果，分别对抓取机器人和钻铣机器人进行轨迹规划；多机器人数据监控模块，用于在抓取机器人和钻铣机器人工作过程中，进行数据采集和监控。
优选的，碰撞干涉包括：抓取机器人自身碰撞干涉、钻铣机器人自身碰撞干涉、以及抓取机器人与钻铣机器人之间的碰撞干涉。
在本实施例中，待加工支架具体可以是指：直径大于3m、长度大于10m的大型构件上弱刚性支架。
实施例2
在上述实施例的基础上，下面对所述用于弱刚性支架钻铣的移动式双机器人加工系统的加工流程进行说明。
如图4所示，所述用于弱刚性支架钻铣的移动式双机器人加工系统的加工流程如下：
第一步：在等待区移动式双机器人系统启动，系统开始进行通讯接口、总线状态、硬件组态等自检项，若系统自检未通过，会报警提示，若系统自检通过，执行第二步。
第二步：全向移动平台经导航运动到规划好的站位，液压支撑机构升起，移动平台完成稳定支撑。其中，规划好的站位是指能够使待加工支架完全位于抓取机器人和钻铣机器人的工作范围内，机器人的工作范围可由机器人运动学得到，具体可参考《机器人运动学导论》2006年机械工业出版社，作者(美)John J.Craig，ISBN9787111186816等相关文献获得。
第三步：抓取机器人本体驱动抓取定位相机对第i个支架根部的局部靶标点进行拍摄，完成抓取末端执行器找正。
在本实施例中，末端执行器的找正是指通过拍摄支架根部的局部靶标点，获取局部靶标点坐标系{T1}与抓取定位相机坐标系{C1}的相对位姿关系T1TC1：
Figure BDA0002339649410000071
其中，
Figure BDA0002339649410000072
表示抓取定位相机坐标系{C1}坐标轴的方向向量，
Figure BDA0002339649410000073
Figure BDA0002339649410000074
表示局部靶标点坐标系{T1}坐标轴的方向向量，
Figure BDA0002339649410000075
表示向量
Figure BDA0002339649410000076
和
Figure BDA0002339649410000077
夹角的余弦值。局部靶标点坐标系{T1}由支架根部的局部靶标点确定，抓取定位相机坐标系{C1}为视觉相机自身定义的成像坐标系。
第四步：抓取机器人本体驱动抓取末端执行器对该支架抓取以增强其刚度特性，抓取过程六维力传感器实时反馈末端受力情况，并对抓取姿态进行微调，完成抓取后机器人抱闸，此时弱刚性支架、抓取机器人、全向启动平台构成固联结构，相较于未抓取前支架的弱刚性悬臂结构，增强了系统的刚度特性。
第五步：钻铣机器人本体驱动钻铣定位相机对支架根部的局部靶标点进行拍摄，完成钻铣末端执行器找正，同时拍摄支架待加工部位，判断是否存在加工余量，若存在加工余量，则执行第六步，否则，针对第i+1个支架跳转执行第三步并顺序执行。
在本实施例中，钻铣末端执行器找正是指通过拍摄支架根部的局部靶标点，获取局部靶标点坐标系{T1}与钻铣定位相机坐标系{C2}的相对位姿关系T1TC2：
Figure BDA0002339649410000078
其中，
Figure BDA0002339649410000079
表示钻铣定位相机坐标系{C2}坐标轴的方向向量，
Figure BDA00023396494100000710
Figure BDA00023396494100000711
表示局部靶标点坐标系{T1}坐标轴的方向向量，
Figure BDA00023396494100000712
表示向量
Figure BDA00023396494100000713
和
Figure BDA00023396494100000714
夹角的余弦值。钻铣定位相机坐标系{C2}为视觉相机自身定义的成像坐标系。
第六步：根据钻铣定位相机找正结果，修正预编制好的钻、铣NC数控代码。
第七步：钻铣机器人本体驱动钻铣末端执行器按照修正后的NC数控代码对支架进行加工，加工完成后钻铣定位相机进行支架余量合格性判定，若判定结果不合格，则跳转第六步并顺序执行，否则，执行第八步。
第八步：判断当前站位下支架是否都已完成加工，若未完成，则跳转第三步对第i+1个支架顺序执行，否则，流程结束。
本发明虽然已以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定本发明，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出可能的变动和修改，因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化及修饰，均属于本发明技术方案的保护范围。
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 (10)

1.一种用于弱刚性支架钻铣的移动式双机器人加工系统，其特征在于，包括：抓取机器人、钻铣机器人、全向移动平台和控制系统；其中，抓取机器人和钻铣机器人设置在全向移动平台上；
全向移动平台，用于在控制系统的控制下，带动抓取机器人和钻铣机器人运动至待加工支架所在位置；
抓取机器人，用于在运动至待加工支架所在位置后，在控制系统的控制下，对待加工支架进行抓取，以及实现抓取过程中的柔顺控制；
钻铣机器人，用于在待加工支架被抓取至加工工位时，对待加工支架进行平面铣削和钻孔；
控制系统，用于对抓取机器人、钻铣机器人和全向移动平台进行综合控制。
2.根据权利要求1所述的用于弱刚性支架钻铣的移动式双机器人加工系统，其特征在于，抓取机器人，包括：抓取机器人本体(1)、六维力传感器(2)、抓取定位相机(3)和抓取末端执行器(4)；
抓取机器人本体(1)的末端设置有法兰盘Ⅰ；
六维力传感器(2)的一端通过所述法兰盘Ⅰ安装在抓取机器人本体(1)的末端，另一端与抓取末端执行器(4)连接；
抓取定位相机(3)通过转接法兰Ⅰ与抓取机器人本体(1)的末端连接。
3.根据权利要求2所述的用于弱刚性支架钻铣的移动式双机器人加工系统，其特征在于，抓取机器人本体(1)驱动六维力传感器(2)、抓取定位相机(3)和抓取末端执行器(4)运动到待加工支架位置；抓取定位相机(3)拍摄待加工支架周围的局部基准，引导抓取末端执行器(4)对待加工支架进行抓取；六维力传感器(2)对抓取过程进行实现监测，并反馈监测数据；抓取机器人本体(1)根据所述监测数据对抓取末端执行器(4)进行姿态微调整，实现抓取过程的柔顺控制。
4.根据权利要求1所述的用于弱刚性支架钻铣的移动式双机器人加工系统，其特征在于，钻铣机器人，包括：钻铣末端执行器(5)、钻铣定位相机(6)和钻铣机器人本体(7)；
钻铣机器人本体(7)的末端设置有法兰盘Ⅱ；
钻铣末端执行器(5)通过所述法兰盘Ⅱ安装在钻铣机器人本体(7)的末端；
钻铣定位相机(6)通过转接法兰Ⅱ与钻铣机器人本体(7)的末端连接。
5.根据权利要求4所述的用于弱刚性支架钻铣的移动式双机器人加工系统，其特征在于，钻铣机器人本体(7)驱动钻铣末端执行器(5)和钻铣定位相机(6)运动到待加工支架位置；钻铣定位相机(6)拍摄待加工支架周围的局部基准，引导钻铣末端执行器(5)对待加工支架进行平面铣削和钻孔。
6.根据权利要求1所述的用于弱刚性支架钻铣的移动式双机器人加工系统，其特征在于，全向移动平台，包括：全向移动平台本体(9)、导航模块、急停模块、液压支撑机构(8)和麦克纳姆轮；其中，麦克纳姆轮安装在全向移动平台本体(9)的底部，导航模块、急停模块和液压支撑机构(8)安装在全向移动平台本体(9)上；
麦克纳姆轮，用于实现全向移动平台的全方位移动；
导航模块，用于实现全向移动平台的全方位移动过程中的导航定位；
急停模块，用于实现全向移动平台在非正常工况下的紧急制动；
液压支撑机构(8)用于全向移动平台定位后的稳定支撑。
7.根据权利要求1所述的用于弱刚性支架钻铣的移动式双机器人加工系统，其特征在于，控制系统，包括：多机器人干涉检测模块、多机器人轨迹规划模块和多机器人数据监控模块；
多机器人干涉检测模块，用于对抓取机器人和钻铣机器人进行碰撞干涉监控；
多机器人轨迹规划模块，用于对抓取机器人和钻铣机器人的运动轨迹进行插补运算，根据插补运算结果，分别对抓取机器人和钻铣机器人进行轨迹规划；
多机器人数据监控模块，用于在抓取机器人和钻铣机器人工作过程中，进行数据采集和监控。
8.根据权利要求7所述的用于弱刚性支架钻铣的移动式双机器人加工系统，其特征在于，碰撞干涉，包括：抓取机器人自身碰撞干涉、钻铣机器人自身碰撞干涉、以及抓取机器人与钻铣机器人之间的碰撞干涉。
9.根据权利要求1所述的用于弱刚性支架钻铣的移动式双机器人加工系统，其特征在于，待加工支架为：直径大于3m、长度大于10m的大型构件上弱刚性支架。
10.一种用于弱刚性支架钻铣的移动式双机器人加工方法，其特征在于，包括：
通过全向移动平台，将抓取机器人和钻铣机器人移动至待加工支架所在位置；
通过抓取机器人对待加工支架进行抓取，以增强待加工支架的刚度特性；
在待加工支架被抓取至加工工位时，通过钻铣机器人对待加工支架进行平面铣削和钻孔。
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