CN111438676A - 一种薄壁构件镜像加工辅助支撑机器人及其跟随支撑方法 - Google Patents

Abstract

本申请涉及机械加工技术领域，公开了一种薄壁构件镜像加工辅助支撑机器人及其跟随支撑方法，主要用于航空航天等领域的大型薄壁构件镜像加工过程中的辅助随动支撑，该移动式支撑机器人主要包括移动单元、并联式升降单元、随动支撑单元、电控系统和传感系统。本申请中的支撑机器人在跟随加工过程中，不仅能够保证良好的支撑刚度，同时还能够提升工作效率以及提高工件的加工质量，并且通过多次应用加工支撑跟随方法以及结合机器学习算法，还能不断提升支撑机器人对薄壁构件镜像加工过程的适应能力。

Description

一种薄壁构件镜像加工辅助支撑机器人及其跟随支撑方法

技术领域

本发明涉及机械加工技术领域，尤其涉及薄壁构件的镜像加工，具体的说涉及一种薄壁构件镜像加工辅助支撑机器人及其跟随支撑方法。

背景技术

目前，随着航空航天技术的不断发展，各种航空航天飞行器对于重量、强度和结构的要求也越来越严格，重量轻、强度高、结构简的综合性要求变得越来重要。然而，航空结构件大多为异形薄壁零件，成本高昂、结构复杂、材料去除量大、装夹定位困难。在传统的加工过程中，通常采用在薄壁区域设计工艺搭子、侧壁区域加厚加高、非加工面加设三角筋等手段实现基本的加工要求，最终通过线切割、手工等方法将便于去除的部分处理掉，上述加工方式不仅效率低下，还有增加构件重量、残余应力及结构复杂性的缺点。此外，在对薄壁部位加工的过程中，无论构件是平置还是立置（大多为平置），薄壁区域大多处于悬空状态，刚度较低，工件与刀具之间极易发生颤振，甚至是共振，从而导致加工质量严重下降，刀具磨损严重，并最终造成工件报废或装夹松动，因此，不仅影响生产进度，成本浪费和安全隐患也非常严重。

随着技术的不断发展，薄壁构件的镜像加工出现了一些新的解决方案。例如在现有技术中，公开号为CN109877851A的发明专利申请，提出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，具备导航与定位功能，自动化程度高。但该方案仅提供了一种宏观的薄壁构件镜像加工方案，聚焦点在于双机器人镜像加工的运动耦合问题，采用双移动式工业机器人摒弃了现有生产中的加工设备，不利于资源最大化利用，且工业机器人体积庞大，工作过程中，串联结构的工业机器人支撑刚性差，本身末端具有振动，直接安装在移动平台上，会进一步放大这种振动。

类似地，公开号为CN106964823B的发明专利提出了一种利用工业机器人结合阻抗控制的大型薄壁构件镜像加工支撑侧近恒刚度支撑方法，主要将工业机器人和加工机器人分别近似镜像地设置在工件两侧进行镜像加工。但是，工业机器人相对于要加工的大型薄壁构件往往体积更加庞大，而对于更大型的薄壁构件，工业机器人的工作空间一旦不够，需要为其安装移动装置，会带来极大不便；此外该方法需要不断调节末端支撑与工件的距离才能实现跟随移动，实时支撑性差，适应性较低。

进一步地，公开号为CN109848724A的发明专利申请，采用在工件与支撑之间引入浸泡在润滑油内的滚轮，旋转滚轮在滚轮与工件的楔形区域形成动压油膜形成支撑，并利用滑台实现一定的跟随支撑。但是，动压油膜的形成必须具有合适的楔形角、连续的润滑介质、一定的相对运动速度，在复杂的薄壁构件加工中很难保证这三要素的可靠性，且滚轮高速旋转也可能引起额外振动，润滑油也容易造成环境污染。

进一步地，公开号为CN206550656U的实用新型专利所提出的薄壁构件加工流体随动辅助支撑装置，需要安装在机床主轴上，流体喷射区域设置在工件另一侧，实现跟随支撑，不仅严重限制了可加工零件的大小和可加工区域，也改变了机床本身末端执行器的运动惯量，可能引起加工精度下降，且流体喷射的污染更为严重。

而专利公开号为CN207402489U、CN203956584U、CN104589118A等专利则均为固定式的支撑装置，仅适用于对零件的局部固定支撑，不具有自动化特征，难以实现跟随支撑，实际加工过程中应用效率较低。

发明内容

为了克服上述现有技术中存在的问题和不足，本发明针对现有的薄壁构件支撑装置体积庞大、工况适应性差、跟随能力不足、具有一定污染、支撑刚性差、缺乏专用的支撑机器人以及信息化、智能化程度低等缺点，提出了一种体积紧凑、能够实时跟随、并且适应性强、刚性好、信息化、模块化、自动化程度高的薄壁构件镜像加工辅助支撑机器人及其跟随方法。

为了实现上述发明目的，本发明的技术方案如下：

一种薄壁构件镜像加工辅助支撑机器人，包括移动单元、并联升降单元、随动支撑单元、电控系统和传感系统，所述并联升降单元设置在移动单元上，包括底座、升降驱动电机、减速器、锥齿轮机构以及若干并联升降机构；所述随动支撑单元设置在并联升降单元上，包括三角板和呈圆周阵列设置在三角板上的阻尼滚珠，三角板与并联升降机构连接，阻尼滚珠与待加工薄壁构件的支撑面直接接触；所述电控系统包括机器人本体电控、远程控制器以及服务器；所述传感系统包括避障雷达、激光导航器、刹车限位开关、滑块限位开关、视觉相机、倾角传感器、力传感器以及位移传感器。

优选地，所述移动单元包括设置在承重机体上的车体、独立驱动轮、万向轮和伸缩式刹车，独立驱动轮与万向轮配合实现支撑机器人前进、后退、转向以及原地正反旋转等动作，伸缩式刹车用于实现移动单元的锁定与释放。

优选地，所述底座设置在移动单元的顶部，升降驱动电机安装在底座中心，减速器设置在升降驱动电机的末端用于驱动锥齿轮机构，所述并联升降机构呈圆周阵列设置在底座上，并且一端锥齿轮机构连接，另一端通过铰链与三角板连接。

优选地，所述锥齿轮机构包括安装在减速器输出轴上的大锥齿轮和呈圆周阵列布局并且分别与大锥齿轮啮合的若干小锥齿轮，小锥齿轮的数量与并联升降机构的数量相同，两者一一对应并相互配合。

优选地，所述并联升降机构包括电磁离合器、丝杠滑台和支撑杆，电磁离合器的一端与小锥齿轮连接，另一端又与丝杠滑台连接，支撑杆的两端通过铰链分别与三角板以及丝杠滑台上的滑块连接。

优选地，所述机器人本体电控设置在车体内。

优选地，所述避障雷达设置在承重机体的两侧，激光导航器设置在车体的顶部，刹车限位开关设置在伸缩式刹车上，滑块限位开关设置在并联升降机构上，视觉相机、倾角传感器以及位移传感器设置在三角板上，力传感器设置在阻尼滚珠的下方。

一种薄壁构件镜像加工辅助支撑机器人的跟随支撑方法，具体包括以下步骤：

S1. 将待加工薄壁构件采用卧式的方式进行装夹，加工主轴处于工艺起点，加工主轴与支撑机器人之间近似镜像布局，中间为待加工薄壁构件；根据待加工薄壁构件的工艺以及加工过程中的刀具轨迹，初步拟定所述支撑机器人的跟随轨迹，作为参考轨迹；

S2. 将随动支撑单元降至行程最低点且平行于底座，同时通过导航控制移动单元移动到加工工位的待命点；电控系统初始化，确定支撑机器人的世界坐标和相对坐标，并获取加工点的坐标信息；利用激光导航器获取初始环境信息；

S3. 支撑机器人根据拟定的跟随轨迹移动至初始支撑点，利用视觉相机扫描待加工薄壁构件的支撑侧，并进行关键特征提取，以获得实际加工工况中的支撑面信息，同时将上述信息存储在机器人本体电控中，并实时传输至服务器；

S4. 远程控制器根据所获的实际加工工况参数，利用修正算法对支撑机器人的坐标信息进行修正补偿；

S5. 伸缩式刹车伸出，并利用刹车限位开关判断伸缩式刹车的刹车片是否触地到位，然后将所述移动单元锁定；

S6. 根据修正后的系统参数，确定初始的支撑目标位置，在位置闭环控制下，将随动支撑单元举升至目标位置，但并未与待加工薄壁构件接触，留有一定的安全距离；

S7. 视觉相机扫描当前待支撑区域，并根据图像识别算法计算出当前待支撑面的法线位置作为前馈信息，然后利用倾角传感器作为反馈进行闭环控制，对并联升降单元进行差动或同步调节，进而调整随动支撑单元的位姿，使得三角板的法线与当前待支撑面的法线基本共线；

S8. 并联升降单元将所述随动支撑单元继续举升，三角板上的位移传感器实时监测三角板与待支撑面之间的间隙，并同时利用力传感器判断阻尼滚珠是否与待支撑面接触，若两者一旦接触，则转为压力闭环控制，并调节到指定支撑力；

S9. 松开伸缩式刹车，支撑机器人准备跟随加工运动；

S10. 支撑机器人随动跟随进行支撑，避障雷达和激光导航器实时反馈支撑机器人周围的环境变化，以修正跟随轨迹；视觉相机不断扫描前进方向上的待支撑区域的实际信息，同时电控系统实时计算待支撑面的法线坐标作为随动支撑单元的调姿前馈，并将倾角传感器的数据作为反馈，计算出调姿修正量，同时也将力传感器的数据作为反馈，对支撑力进行实时调节；机器人本体电控驱动支撑机器人的各部分执行器运动；远程控制器实时显示支撑机器人的系统参数，并在后台计算所需的控制量，发出控制指令；服务器搭建起中间通讯与数据交换的桥梁，并存储加工过程支撑机器人的历史数据，以供机器学习使用；

S11. 加工完毕，电控系统发出支撑结束指令，所述随动支撑单元降到最低点，降落过程中将三角板位姿调平；

S12. 支撑机器人根据结束程序，自动回到待命点，完成整个薄壁构件镜像加工过程的辅助支撑任务，并将本次的工作过程数据保存至服务器中，利用机器学习，不断提升支撑机器人对重复性支撑任务的应对能力。

本申请的有益效果：

本申请采用专门设计的支撑机器人系统用于薄壁构件的镜像加工，尤其是并联升降单元能够保证良好的支撑刚度，并且本身不具有振动缺陷，有利于支撑机器人实现在薄壁构件镜像加工过程中可靠的跟随支撑，同时并联升降单元的差动与同步驱动方案，还大大提升了支撑机器人的工况适应性；进一步地，本申请采用的模块化设计保证了生产和维护的便利性，而机器视觉、路径规划、机器学习等先进算法的采用则有助于提升薄壁构件镜像加工过程的信息化、自动化、智能化水平，并最终提高薄壁构件的加工质量以及提升加工效率。

附图说明

图1为本申请全局结构示意图；

图2为本申请方法流程图；

图3为本申请移动单元底部布局示意图；

图4为本申请并联升降单元以及随动支撑单元轴测图；

图5为本申请随动支撑单元结构示意图。

附图中：

1、移动单元；2、并联升降单元；3、随动支撑单元；4、电控系统；5、传感系统；6、待加工薄壁构件；7、铰链；8、滑块；9、丝杠；10、加工主轴；11、车体；12、独立驱动轮；13、万向轮；14、伸缩式刹车；21、底座；22、升降驱动电机；23、减速器；24、锥齿轮机构；25、并联升降机构；31、三角板；32、阻尼滚珠；41、机器人本体电控；42、远程控制器；43、服务器；51、避障雷达；52、激光导航器；53、刹车限位开关；54、滑块限位开关；55、视觉相机；56、倾角传感器；57、力传感器；58、位移传感器；241、大锥齿轮；242、小锥齿轮；251、电磁离合器；252、丝杠滑台；253、支撑杆。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明作进一步地详细说明，但本发明的实施方式不限于此。

实施例1

本实施例公开了一种薄壁构件镜像加工辅助支撑机器人，参照说明书附图1，包括移动单元1、并联升降单元2、随动支撑单元3、电控系统4以及传感系统5。其中，移动单元1位于最底层，主要用于实现支撑机器人前进、后退、转向以及原地正反旋转等动作；并联升降单元2位于中间层，主要用于控制随动支撑单元3以合适的位姿支撑工件的待加工薄壁区域；随动支撑单元3则处于最顶层，主要用于支撑工件的待加工薄壁区域，这三者通过连接件连接在一起；进一步地，电控系统4主要用于为支撑机器人提供电源，以及在加工过程中进行数据采集与数理、输入指令、通讯与数据交换等操作；进一步地，传感系统5贯穿整个支撑机器人，主要用于在加工过程中实时监测周围环境、为支撑机器人导航以及躲避障碍等操作。具体的，所述并联升降单元2包括底座21、升降驱动电机22、减速器23、锥齿轮机构24以及若干并联升降机构25；所述随动支撑单元3则包括三角板31和呈圆周阵列设置在三角板31上的阻尼滚珠32，三角板31通过铰链7与并联升降机构25连接，阻尼滚珠32与待加工薄壁构件6的支撑面直接接触；电控系统4包括机器人本体电控41、远程控制器42以及服务器43；传感系统5贯穿整个支撑机器人，包括避障雷达51、激光导航器52、刹车限位开关53、滑块限位开关54、视觉相机55、倾角传感器56、力传感器57和位移传感器58。

整体的工作原理：

在加工过程中，待加工薄壁构件6处于加工主轴10和支撑机器人中间，待加工薄壁构件6与支撑机器人之间构成一个近似镜像的布局，支撑机器人利用移动单元1上面的并联升降单元2控制随动支撑单元3，并最终使得随动支撑单元3以合适的位姿支撑着待加工薄壁区域。本申请的动力传递由升降驱动电机22开始，经过减速器23到达锥齿轮机构24，锥齿轮机构24又作用在若干并联升降机构25上用于实现随动支撑单元3的升降。当控制若干个并联升降机构25同步运动时，可以实现随动支撑单元3的垂直平行升降；而当随动支撑单元3所支撑的支撑面具有一定的斜度或者曲面时，则可以控制若干个并联升降机构25差动运动从而使得随动支撑单元3在一定范围内倾斜，以更好的适应不同的支撑面。随动支撑单元3的三角板31结构能够更好的抵达支撑构件的窄面、筋板附近等，从而减少支撑盲区；阻尼滚珠32在加工过程中直接与支撑面接触，并在随动加工过程中滚动，因此能够减小摩擦。进一步地，在整个薄壁构件镜像加工过程中，避障雷达51用于支撑机器人在移动过程中的障碍躲避与辅助导航；激光导航器52用于支撑机器人随动运动时的精确导航；刹车限位开关53用于检测伸缩式刹车14是否触地到位；滑块限位开关54则用于保护并联升降机构，防止其过冲；视觉相机55用于获得待加工薄壁构件6支撑侧的集合特征信息，进而用来制定加工决策；倾角传感器56用于实时获取随动支撑单元3的位姿反馈；力传感器57用于实时获取支撑机器人支撑力的变化，并作为反馈，以便进行支撑力闭环控制；位移传感器58用来检测随动支撑单元3与支撑面之间的间隙；机器人本体电控41用于提供各种电源、驱动电机、数据采集与处理等，具有执行控制指令的功能；所述远程控制器42由计算机和控制软件构成，用于系统的信息可视化、功能编辑与指令输入以及控制算法运行与修改，具有人机交互控制的功能；所述服务器43分别与机器人本体电控41和远程控制器42连接，主要用于中间通讯与数据交换，并同时存储加工过程中支撑机器人的历史数据，用于后期机器学习。

实施例2

本实施例公开了一种薄壁构件镜像加工辅助支撑机器人，参照说明书附图1，包括移动单元1、并联升降单元2、随动支撑单元3、电控系统4以及传感系统5。其中，移动单元1位于最底层，主要用于实现支撑机器人前进、后退、转向以及原地正反旋转等动作；并联升降单元2位于中间层，主要用于控制随动支撑单元3以合适的位姿支撑工件的待加工薄壁区域；随动支撑单元3则处于最顶层，主要用于支撑工件的待加工薄壁区域，这三者通过连接件连接在一起；进一步地，电控系统4主要用于为支撑机器人提供电源，以及在加工过程中进行数据采集与数理、输入指令、通讯与数据交换等操作；进一步地，传感系统5贯穿整个支撑机器人，主要用于在加工过程中实时监测周围环境、为支撑机器人导航以及躲避障碍等操作。具体的，所述并联升降单元2包括底座21、升降驱动电机22、减速器23、锥齿轮机构24以及若干并联升降机构25；所述随动支撑单元3则包括三角板31和呈圆周阵列设置在三角板31上的阻尼滚珠32，三角板31通过铰链7与并联升降机构25连接，阻尼滚珠32与待加工薄壁构件6的支撑面直接接触；电控系统4包括机器人本体电控41、远程控制器42以及服务器43；传感系统5贯穿整个支撑机器人，包括避障雷达51、激光导航器52、刹车限位开关53、滑块限位开关54、视觉相机55、倾角传感器56、力传感器57和位移传感器58。

整体的工作原理：

在加工过程中，待加工薄壁构件6处于加工主轴10和支撑机器人中间，待加工薄壁构件6与支撑机器人之间构成一个近似镜像的布局，支撑机器人利用移动单元1上面的并联升降单元2控制随动支撑单元3，并最终使得随动支撑单元3以合适的位姿支撑着待加工薄壁区域。本申请的动力传递由升降驱动电机22开始，经过减速器23到达锥齿轮机构24，锥齿轮机构24又作用在若干并联升降机构25上用于实现随动支撑单元3的升降。当控制若干个并联升降机构25同步运动时，可以实现随动支撑单元3的垂直平行升降；而当随动支撑单元3所支撑的支撑面具有一定的斜度或者曲面时，则可以控制若干个并联升降机构25差动运动从而使得随动支撑单元3在一定范围内倾斜，以更好的适应不同的支撑面。随动支撑单元3的三角板31结构能够更好的抵达支撑构件的窄面、筋板附近等，从而减少支撑盲区；阻尼滚珠32在加工过程中直接与支撑面接触，并在随动加工过程中滚动，因此能够减小摩擦。进一步地，在整个薄壁构件镜像加工过程中，避障雷达51用于支撑机器人在移动过程中的障碍躲避与辅助导航；激光导航器52用于支撑机器人随动运动时的精确导航；刹车限位开关53用于检测伸缩式刹车14是否触地到位；滑块限位开关54则用于保护并联升降机构，防止其过冲；视觉相机55用于获得待加工薄壁构件6支撑侧的集合特征信息，进而用来制定加工决策；倾角传感器56用于实时获取随动支撑单元3的位姿反馈；力传感器57用于实时获取支撑机器人支撑力的变化，并作为反馈，以便进行支撑力闭环控制；位移传感器58用来检测随动支撑单元3与支撑面之间的间隙；机器人本体电控41用于提供各种电源、驱动电机、数据采集与处理等，具有执行控制指令的功能；所述远程控制器42由计算机和控制软件构成，用于系统的信息可视化、功能编辑与指令输入以及控制算法运行与修改，具有人机交互控制的功能；所述服务器43分别与机器人本体电控41和远程控制器42连接，主要用于中间通讯与数据交换，并同时存储加工过程中支撑机器人的历史数据，用于后期机器学习。

关于移动单元1的结构：

参照说明书附图3，所述移动单元1包括设置在承重机体上的车体11、独立驱动轮12、万向轮13和伸缩式刹车14，独立驱动轮12和万向轮13相对均匀的布局在承重机体的底部；进一步地，所述伸缩式刹车14包括垂直伸缩驱动模块和末端的刹车片，刹车片为锥形硬橡胶。

移动单元1的工作原理：

通过控制独立驱动轮12的转向和速度能够实现移动单元1的前进、后退、转向、原地正反旋转等复杂动作，以完成支撑机器人在薄壁构件镜像加工过程中的跟随移动；万向轮13主要用于配合独立驱动轮12，具有支撑和导向的作用；当需要对薄壁构件进行局部精加工时，支撑机器人不需要运动，此时为了保证精加工的支撑刚度，需要将伸缩式刹车14伸出并抵向地面，以增加支撑机器人的整体稳定性。

关于并联升降单元2的进一步限定：

所述底座21设置在移动单元1的顶部，升降驱动电机22安装在底座21中心，减速器23设置在升降驱动电机22的末端用于驱动锥齿轮机构24，所述并联升降机构25呈圆周阵列设置在底座21上，并且一端锥齿轮机构24连接，另一端通过铰链7与三角板31连接。

关于锥齿轮机构24的结构：

所述锥齿轮机构24包括安装在减速器23输出轴上的大锥齿轮241和呈圆周均匀阵列布局并且分别与大锥齿轮241啮合的若干小锥齿轮242，两者的中心轴线相互垂直，并且小锥齿轮242的数量与并联升降机构25的数量相同，两者一一对应并相互配合。

关于并联升降机构25的结构：

所述并联升降机构25包括电磁离合器251、丝杠滑台252和支撑杆253，电磁离合器251的一端与小锥齿轮242连接，另一端又与丝杠滑台252连接，这三者的轴线基本共线且为串联关系，电磁离合器251主要用于断开或连接小锥齿轮242与丝杠滑台252之间的动力传递；进一步地，丝杠滑台252由滑块8和丝杆9构成，且具有自锁特性，丝杠滑台252呈圆周阵列设置在底座21上，丝杆滑台252在运动时，沿着底座21的径向往复运动，滑块8上设置有铰链7，支撑杆253的一端与滑块8上的铰链7连接，另一端则与三角板31上设置的铰链7连接。进一步地，参照说明书附图4，滑块8的左右两侧还分别套设在位于丝杠滑台上的导向杆上，导向杆具有支撑和导向的作用，使得滑块的运动更加平滑和稳定。

并联升降单元2的工作原理：

升降驱动电机22工作，经过减速器23将动力传递至大锥齿轮241，大锥齿轮241带动与其啮合的小锥齿轮242转动，然后经过电磁离合器251传递至丝杠滑台252的丝杆9上，设置在丝杆9上的滑块8沿底座21的径向方向直线运动；当需要若干个丝杠滑台252同步运动时，电磁离合器251断电变为连动状态，此时，丝杠滑台252上的滑块8同步移动，并带动相应的支撑杆253同步合拢或张开，实现随动支撑单元3的垂直平行下降；当所支撑的薄壁构件表面具有一定的斜度或者曲面时，通过组合若干个电磁离合器251为不同连接状态，从而实现整个并联升降单元2的差动驱动，若干个支撑杆253合拢或者张开的程度不一样，此时，随动支撑单元3在一定范围内倾斜，以更好的适应不同的支撑表面。

关于电控系统4的进一步限定：

所述机器人本体电控41设置在车体11内。

电控系统4的工作原理：

所述机器人本体电控41用于提供各种电源、驱动电机、数据采集与处理等，具有执行控制指令的功能；所述远程控制器43由计算机和控制软件构成，用于系统的信息可视化、功能编辑与指令输入、控制算法运行与修改，具有人机交互控制的功能；所述服务器42分别与机器人本体电控41和远程控制器43连接，主要用于中间通讯与数据交换，并同时存储加工过程中支撑机器人的历史数据，用于后期机器学习。

关于传感系统5的进一步限定：

所述避障雷达51位于承重机体的两侧，激光导航器52设置在车体11顶部；所述刹车限位开关53设置在刹车片上；所述滑块限位开关54位于并联升降机构25上，并且安装在丝杆滑台252的两端；所述视觉相机55、倾角传感器56以及位移传感器58设置在三角板31上；所述力传感器57设置在阻尼滚珠32的下方。

传感系统5的工作原理：

避障雷达51用于支撑机器人在移动过程中的障碍躲避与辅助导航；激光导航器52用于支撑机器人随动运动时的精确导航；刹车限位开关53用于检测伸缩式刹车14的刹车片是否触地到位；滑块限位开关54则用于保护丝杠滑台252，防止其过冲；视觉相机55用于获得待加工薄壁构件6支撑侧的集合特征信息，进而用来制定加工决策；倾角传感器56用于实时获取随动支撑单元的位姿反馈；力传感器57用于实时获取支撑机器人支撑力的变化，并作为反馈，以便进行支撑力闭环控制；位移传感器58用于检测随动支撑单元3的三角板31与支撑面之间的间隙。

关于刹车限位开关53的进一步限定：

所述刹车限位开关53为贴片式压力传感器。

实施例3

本实施例公开了一种薄壁构件镜像加工辅助支撑机器人跟随支撑方法，参照说明书附图1，图1为本申请的全局结构示意图，加工过程中，待加工薄壁构件6处于加工主轴10和支撑机器人中间，构成一个近似镜像的布局；支撑机器人利用移动单元1上面的并联升降单元2控制随动支撑单元3以合适的位姿支撑着待加工薄壁区域；支撑机器人的机器人本体电控41负责提供各种电源、数据采集与处理等工作，并通过服务器43与远程控制器42建立起通讯机制；支撑机器人利用安装在移动单元1上的两个独立驱动轮12，并借助激光导航器52和若干个避障雷达51的反馈，在导航控制算法的作用下，实现支撑机器人移动过程中的前进、后退、转向、原地旋转、镜像加工跟随等动作。

图2为本申请薄壁构件镜像加工辅助支撑机器人跟随支撑方法的流程图，结合该图与其他附图对其镜像跟随加工支撑的具体步骤进行描述：

S1. 如图1所示，将待加工薄壁构件6卧式装夹，加工主轴10处于工艺起点，加工主轴10和支撑机器人近似镜像布局，中间是待加工薄壁构件6，提前制定适应于当前待加工薄壁构件6的走刀轨迹，进而初步拟定支撑机器人的加工跟随轨迹，作为参考轨迹；

S2. 如图4所示，利用并联升降单元2的升降驱动电机22的驱动力，经过减速器23，传递到中间的大锥齿轮241上，然后驱动若干个小锥齿轮242，到达电磁离合器251的输入端，此时所有电磁离合器251失电，处于连接状态，则所有的丝杠9驱动各自配合的滑块8同步移动至底座21的边缘方向，与滑块8通过铰链7连接的支撑杆253呈现同步张开的动作，将所述的随动支撑单元3降至行程最低点且平行于底座21，同时，通过导航控制移动单元1移动到加工工位的待命点；电控系统4初始化，确定支撑机器人的世界坐标和相对坐标，并获取加工点的坐标信息；利用激光导航器52获取初始环境信息；

S3. 如图5所示，支撑机器人根据拟定的跟随轨迹移动至初始支撑点，利用视觉相机55扫描待加工薄壁构件6的支撑侧，并进行关键特征提取，获得实际加工工况中的支撑面信息，将上述信息存储在机器人本体电控41内，并实时传输至服务器43；

S4. 远程控制器42根据所获的实际加工工况参数，利用修正算法对支撑机器人的坐标信息进行修正补偿；

S5. 如图3所示，若干个伸缩式刹车14伸出并抵向地面，同时利用其上的刹车限位开关53判断刹车片是否触地到位，并最终将移动单元1锁定；

S6. 根据修正后的系统参数，确定初始的支撑目标位置，在位置闭环控制下，将随动支撑单元3举升至目标位置，但并未与工件接触，留有一定的安全距离；

S7. 如图5所示，视觉相机55扫描当前待支撑区域，并根据图像识别算法计算出当前待支撑面的法线位置作为前馈信息，同时利用倾角传感器56作为反馈，对所述的并联升降单元2进行差动或同步调节，以调整随动支撑单元3的位姿，从而使得三角板31的法线与当前待支撑面的法线基本共线；

S8. 所述并联升降单元2同步驱动，将所述的随动支撑单元3继续举升，三角板31上的位移传感器58实时监测三角板31与支撑面之间的间隙，并同时利用力传感器57判断阻尼滚珠32与支撑面是否接触，若两者一旦接触，则转为压力闭环控制，并调节到指定支撑力；

S9. 如图3所示，松开伸缩式刹车14，支撑机器人准备跟随加工运动；

S10. 如图1所示，加工主轴10开始按照编程轨迹加工工件的另一侧，所述支撑机器人随动跟随进行支撑，若刀具需要对某个区域进行精加工，或该区域的最大半径小于所述随动支撑单元3的最大支撑范围，则支撑机器人变为锁定不跟随移动的支撑状态，否则，进行随动镜像加工跟随。在此过程中，避障雷达5和激光导航器52实时反馈支撑机器人周围的环境变化，以修正跟随轨迹；视觉相机55则不断扫描前进方向上的待支撑区域的实际信息；电控系统4实时计算支撑面的法线坐标，作为随动支撑单元3的调姿前馈，并将倾角传感器56的数据作为反馈，计算出调姿修正量，同时根据力传感器57的数据作为反馈，对支撑力进行实时调节，机器人本体电控41驱动支撑机器人的各部分执行器运动，远程控制器42实时显示支撑机器人的系统参数，并在后台计算所需的控制量，发出控制指令，服务器43搭建起中间通讯与数据交换的桥梁，并存储加工过程支撑机器人的历史数据，用于机器学习使用；

S11. 加工完毕后，电控系统4发出支撑结束指令，随动支撑单元3降到最低点，降落过程中，将三角板31的位姿调平；

S12. 支撑机器人根据结束程序，自动回到待命点，完成整个薄壁构件加工过程的辅助支撑任务，并将本次的工作过程数据保存到服务器43中，利用机器学习不断提升支撑机器人对重复性支撑任务的应对能力。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明保护范围的限制。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明做任何形式上的限制，凡是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，均落入本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种薄壁构件镜像加工辅助支撑机器人，其特征在于：包括移动单元（1）、并联升降单元（2）、随动支撑单元（3）、电控系统（4）和传感系统（5），所述并联升降单元（2）设置在移动单元（1）上，包括底座（21）、升降驱动电机（22）、减速器（23）、锥齿轮机构（24）以及若干并联升降机构（25）；所述随动支撑单元（3）设置在并联升降单元（2）上，包括三角板（31）和呈圆周阵列设置在三角板（31）上的阻尼滚珠（32），三角板（31）与并联升降机构（25）连接，阻尼滚珠（32）与待加工薄壁构件（6）的支撑面直接接触；所述电控系统（4）包括机器人本体电控（41）、远程控制器（42）以及服务器（43）；所述传感系统（5）包括避障雷达（51）、激光导航器（52）、刹车限位开关（53）、滑块限位开关（54）、视觉相机（55）、倾角传感器（56）、力传感器（57）以及位移传感器（58）。

2.根据权利要求1所述的一种薄壁构件镜像加工辅助支撑机器人，其特征在于：所述移动单元（1）包括设置在承重机体上的车体（11）、独立驱动轮（12）、万向轮（13）和伸缩式刹车（14），独立驱动轮（12）与万向轮（13）配合实现支撑机器人前进、后退、转向以及原地正反旋转等动作，伸缩式刹车（14）用于实现移动单元（1）的锁定与释放。

3.根据权利要求1所述的一种薄壁构件镜像加工辅助支撑机器人，其特征在于：所述底座（21）设置在移动单元（1）的顶部，升降驱动电机（22）安装在底座（21）中心，减速器（23）设置在升降驱动电机（22）的末端用于驱动锥齿轮机构（24），所述并联升降机构（25）呈圆周阵列设置在底座（21）上，并且一端锥齿轮机构（24）连接，另一端通过铰链（7）与三角板（31）连接。

4.根据权利要求1所述的一种薄壁构件镜像加工辅助支撑机器人，其特征在于：所述锥齿轮机构（24）包括安装在减速器（23）输出轴上的大锥齿轮（241）和呈圆周阵列布局并且分别与大锥齿轮（241）啮合的若干小锥齿轮（242），小锥齿轮（242）的数量与并联升降机构（25）的数量相同，两者一一对应并相互配合。

5.根据权利要求4所述的一种薄壁构件镜像加工辅助支撑机器人，其特征在于：所述并联升降机构（25）包括电磁离合器（251）、丝杠滑台（252）和支撑杆（253），电磁离合器（251）的一端与小锥齿轮（242）连接，另一端又与丝杠滑台（252）连接，支撑杆（253）的两端通过铰链（7）分别与三角板（31）以及丝杠滑台（252）上的滑块（8）连接。

6.根据权利要求2所述的一种薄壁构件镜像加工辅助支撑机器人，其特征在于：所述机器人本体电控（41）设置在车体（11）内。

7.根据权利要求2所述的一种薄壁构件镜像加工辅助支撑机器人，其特征在于：所述避障雷达（51）设置在承重机体的两侧，激光导航器（52）设置在车体（11）的顶部，刹车限位开关（53）设置在伸缩式刹车（14）上，滑块限位开关（54）设置在并联升降机构（25）上，视觉相机（55）、倾角传感器（56）以及位移传感器（58）设置在三角板（31）上，力传感器（57）设置在阻尼滚珠（32）的下方。

8.一种薄壁构件镜像加工辅助支撑机器人的跟随支撑方法，其特征在于：具体包括以下步骤：

S1. 将待加工薄壁构件（6）采用卧式的方式进行装夹，加工主轴（10）处于工艺起点，加工主轴（10）与支撑机器人之间近似镜像布局，中间为待加工薄壁构件（6）；根据待加工薄壁构件（6）的工艺以及加工过程中的刀具轨迹，初步拟定所述支撑机器人的跟随轨迹，作为参考轨迹；

S2. 将随动支撑单元（3）降至行程最低点且平行于底座（21），同时通过导航控制移动单元（1）移动到加工工位的待命点；电控系统（4）初始化，确定支撑机器人的世界坐标和相对坐标，并获取加工点的坐标信息；利用激光导航器（52）获取初始环境信息；

S3. 支撑机器人根据拟定的跟随轨迹移动至初始支撑点，利用视觉相机（55）扫描待加工薄壁构件（6）的支撑侧，并进行关键特征提取，以获得实际加工工况中的支撑面信息，同时将上述信息存储在机器人本体电控（41）中，并实时传输至服务器（43）；

S4. 远程控制器（42）根据所获的实际加工工况参数，利用修正算法对支撑机器人的坐标信息进行修正补偿；

S5. 伸缩式刹车（14）伸出，并利用刹车限位开关（53）判断伸缩式刹车（14）的刹车片是否触地到位，然后将所述移动单元（1）锁定；

S6. 根据修正后的系统参数，确定初始的支撑目标位置，在位置闭环控制下，将随动支撑单元（3）举升至目标位置，但并未与待加工薄壁构件（6）接触，留有一定的安全距离；

S7. 视觉相机（55）扫描当前待支撑区域，并根据图像识别算法计算出当前待支撑面的法线位置作为前馈信息，然后利用倾角传感器（56）作为反馈进行闭环控制，对并联升降单元（2）进行差动或同步调节，进而调整随动支撑单元（3）的位姿，使得三角板（31）的法线与当前待支撑面的法线基本共线；

S8. 并联升降单元（2）将所述随动支撑单元（3）继续举升，三角板（31）上的位移传感器（58）实时监测三角板（31）与待支撑面之间的间隙，并同时利用力传感器（57）判断阻尼滚珠（32）是否与待支撑面接触，若两者一旦接触，则转为压力闭环控制，并调节到指定支撑力；

S9. 松开伸缩式刹车（14），支撑机器人准备跟随加工运动；

S10. 支撑机器人随动跟随进行支撑，避障雷达（51）和激光导航器（52）实时反馈支撑机器人周围的环境变化，以修正跟随轨迹；视觉相机（55）不断扫描前进方向上的待支撑区域的实际信息，同时电控系统（4）实时计算待支撑面的法线坐标作为随动支撑单元（3）的调姿前馈，并将倾角传感器（56）的数据作为反馈，计算出调姿修正量，同时也将力传感器（57）的数据作为反馈，对支撑力进行实时调节；机器人本体电控（41）驱动支撑机器人的各部分执行器运动；远程控制器（42）实时显示支撑机器人的系统参数，并在后台计算所需的控制量，发出控制指令；服务器（43）搭建起中间通讯与数据交换的桥梁，并存储加工过程支撑机器人的历史数据，以供机器学习使用；

S11. 加工完毕，电控系统（4）发出支撑结束指令，所述随动支撑单元（3）降到最低点，降落过程中将三角板（31）位姿调平；

S12. 支撑机器人根据结束程序，自动回到待命点，完成整个薄壁构件镜像加工过程的辅助支撑任务，并将本次的工作过程数据保存至服务器（43）中，利用机器学习，不断提升支撑机器人对重复性支撑任务的应对能力。

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