CN113172479B - 一种自适应机器人螺旋铣孔孔径误差的补偿装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种自适应机器人螺旋铣孔孔径误差的补偿装置及方法，其中补偿装置包括柱型楔块、微距激光测距传感器、环形测力传感器、第一无线通信模块、第二无线传输模块以及控制器；柱型楔块用于固定安装在铣孔执行器的偏心主轴的后端面中心处；环形测力传感器用于检测偏心主轴前端的径向受力；微距激光测距传感器指向柱型楔块的被测端面。该自适应机器人螺旋铣孔孔径误差的补偿装置及方法利用环形测力传感器能够实时监测检测偏心主轴前端的径向受力情况，从而判断出制孔刀具的受力情况；利用微距激光测距传感器与柱型楔块的配合结构简单，且能够安装在铣孔执行器的后端，不会影响机器人螺旋铣孔的加工操作。

Description

一种自适应机器人螺旋铣孔孔径误差的补偿装置及方法

技术领域

本发明涉及一种铣孔孔径误差的补偿装置及方法，尤其是一种自适应机器人螺旋铣孔孔径误差的补偿装置及方法。

背景技术

机器人螺旋铣孔以其制孔范围大、加工效率高等优势，在提高大型工件制孔品质和效率的方面具有广阔的应用前景。然而，作为螺旋铣孔的搬运载体，机器人本体的弱刚性、低承载等特性，使其对螺旋铣孔执行器的工作性能要求特别高。在制孔过程中，螺旋铣孔执行器的刀具偏心量调节是一个尤为关键的工序环节，其调节方法不仅会影响螺旋铣孔的加工精度，还将决定执行器的组成结构和整机重量。目前，机器人螺旋铣孔刀具的偏心量调节主要采取在线调节，需要独立配置刀具偏心调节机构，导致螺旋铣孔执行器重量大、集成度高，而且换刀也较为不便。这些因素在一定程度上阻碍了机器人螺旋铣孔的普及应用。可见，有必要基于机器人螺旋铣孔平台，结合其作业流程和特点，设计出一种自适应机器人螺旋铣孔孔径误差的补偿装置及方法。

发明内容

发明目的：提供一种自适应机器人螺旋铣孔孔径误差的补偿装置及方法，能够在机器人铣孔过程中自适应补偿刀具偏心量调节误差和刀具受力变形导致切削部偏心量误差。

技术方案：本发明所述的自适应机器人螺旋铣孔孔径误差的补偿装置，包括柱型楔块、微距激光测距传感器、环形测力传感器、第一无线通信模块、第二无线传输模块以及控制器模块；

柱型楔块用于固定安装在铣孔执行器的偏心主轴的后端面中心处，在偏心主轴的前端偏心位置处通过夹持锁定机构安装有制孔刀具；环形测力传感器用于安装在铣孔执行器的偏心主轴前端部与公转壳体之间，用于检测偏心主轴前端的径向受力；微距激光测距传感器指向柱型楔块的被测端面，且微距激光测距传感器的指向与偏心主轴的中心轴线相平行；柱型楔块的被测端面设置为斜坡面；微距激光测距传感器与第一无线通信模块电连接，环形测力传感器与第二无线传输模块电连接；第一无线通信模块以及第二无线传输模块均与控制器模块的无线通信单元无线通信连接；控制器模块的输出端用于与铣孔执行器的偏心驱动电机电连接，由偏心驱动电机驱动偏心主轴旋转，从而补偿制孔刀具在制孔工作中的切削部实际偏心量e_sq。

进一步的，在偏心主轴的端面上固定安装有一块轴端板；在轴端板的中心处垂直设置有制动轴，且制动轴与偏心主轴同轴心线；在柱型楔块的中心处设置有中心孔，柱型楔块固定安装在轴端板上，制动轴贯穿中心孔；偏心主轴旋转式安装在公转壳体的偏心位置处，并在公转壳体的后端安装有后端盖；微距激光测距传感器安装在后端盖内，第一无线通信模块安装在后端盖外；在后端盖上固定安装有与控制器模块电连接的电磁制动器；制动轴的后端部伸入电磁制动器内，由电磁制动器对制动轴进行制动控制。

进一步的，偏心驱动电机固定安装在后端盖上，且偏心驱动电机通过传动机构驱动制动轴旋转。

进一步的，夹持锁定机构包括刀杆对接轴、制孔驱动电机、四根锁定螺柱、同步环以及两根锁定柱；在偏心主轴的前端偏心位置处设置有旋转安装轴孔，刀杆对接轴的后端通过两个安装轴承旋转式安装在旋转安装轴孔内；制孔驱动电机安装在旋转安装轴孔内，且制孔驱动电机的输出轴端部与刀杆对接轴的后端相对接安装；在刀杆对接轴的前端面中心处设置有刀具插孔，制孔刀具的后端插装在刀具插孔中；在制孔刀具的插入端端面上设置有矩形凹槽，在刀具插孔的孔底部设置有矩形凸块，且矩形凸块嵌入矩形凹槽内；在刀杆对接轴的前端圆周面上设置有四个与刀具插孔垂直连通的锁紧螺纹孔，且四个锁紧螺纹孔位于同一圆周的四等分点处；四根锁定螺柱分别螺纹旋合安装在四个锁紧螺纹孔上，并在四根锁定螺柱的外端部上均设置有调节齿轮；同步环旋转式套设在刀杆对接轴的前端圆周面上，并在同步环的内侧环面上设置有限位环槽，在刀杆对接轴的前端圆周面上设置有嵌入限位环槽内的限位凸圈；在同步环的一侧环形边缘上间隔设置有各个同步齿牙，四个调节齿轮与对应位置处的同步齿牙相啮合；两根锁定柱均旋转式安装在刀杆对接轴的前端圆周面上，且两根锁定柱位于同一圆周的二等分点处；在同步环的另一侧环形边缘上间隔设置有各个驱动齿牙，在两个锁定柱上均设置有与对应位置处的驱动齿牙相啮合的驱动齿轮；两根锁定柱的端部设置为便于旋转调节的夹持端头；在四根锁定螺柱的内端部上均设置为锥形端头，在制孔刀具的后端圆周上设置有锥形收缩段，锥形端头按压在锥形收缩段上，用于挤压推动制孔刀具限位在刀具插孔内。

进一步的，在刀杆对接轴的前端圆周面上固定设置有环形罩壳；四个调节齿轮、同步环以及两个驱动齿牙均位于环形罩壳内；夹持端头位于环形罩壳外。

进一步的，在刀杆对接轴的前端圆周面上且靠近两根锁定柱处均固定设置有一个锁定座；在锁定座上设置有锁定销孔，在锁定销孔上均插装有一根锁定销杆；在锁定销孔的孔壁上设置有条形限位槽，在锁定销杆的杆壁上设置有滑动式嵌入条形限位槽内的条形限位块；在锁定销孔内设置有弹性支撑在锁定销杆插入端上的回弹压簧；在锁定销杆的外端部上设置有条形锁定板，并在条形锁定板上设置有用于卡扣夹持端头的矩形槽口。

本发明还提供了一种自适应机器人螺旋铣孔孔径误差的补偿装置的补偿方法，包括如下步骤：

步骤1，在制孔前，根据待制孔的孔径D_h和制孔刀具的直径d_t，计算出制孔刀具的理论偏心量e_l，即e_l=(D_h-d_t)/2；此时制孔刀具的夹持部实际偏心量e_sj1与切削部实际偏心量e_sq1相等，再根据待制孔加工精度要求，确定刀具偏心量的调节误差δ；

步骤2，根据制孔刀具所需的理论偏心量e_l，计算出偏心主轴相对公转壳体需要旋转的理论调节角度Δθ，即

，e₀为公转壳体中心轴线与偏心主轴中心轴线之间的距离，再结合传动机构的传动参数，计算出偏心驱动电机所需的调节转角Δθ’；

步骤3，根据偏心驱动电机所需的调节转角Δθ’，驱动偏心主轴相对公转壳体产生旋转，由微距激光测距传感器实时测量柱型楔块被测端面的距离d，再实时计算出调节过程中制孔刀具的夹持部实际偏心量e_sj1，即：

式中，θ为偏心主轴相对公转壳体旋转的实际转动角度，θ的计算公式为：

式中，d_min为柱型楔块旋转一周中微距激光测距传感器测量的最小值，d_max为柱型楔块旋转一周中微距激光测距传感器测量的最大值；

步骤4，根据制孔刀具夹持部实际偏心量e_sj1、调节误差δ以及制孔刀具的理论偏心量e_l，判断制孔前是否对制孔刀具夹持部偏心量e_sj1进行调节误差补偿，并在判断需要补偿时返回步骤3；

步骤5，在制孔时，根据制孔刀具的结构参数以及环形测力传感器的采集数据，计算因制孔刀具受切削力变形而带来的切削部偏心量调节误差，并根据切削部偏心量调节误差对制孔刀具夹持部偏心量e_sj2进行在线变形误差补偿。

进一步的，步骤4中，在判断制孔前是否对制孔刀具夹持部偏心量e_sj1进行调节误差补偿时，若|e_sj1-e_l|≤δ，则刀具夹持部偏心量e_sj1无需进行调节误差的补偿，进入制孔环节；若|e_sj1-e_l|>δ，则刀具夹持部偏心量e_sj1需进行调节误差补偿，计算出刀具夹持部偏心量e_sj1进行调节误差补偿时偏心驱动电机所需的调节角度Δθ’，再返回步骤3。

进一步的，步骤5中，根据切削部偏心量调节误差对制孔刀具刀具夹持部偏心量e_sj2进行变形误差补偿的具体步骤为：

步骤5.1，计算出制孔刀具的切削部所能承受的最大理论径向力F_rmax=δ·3·E·I/（L³），其中，L为制孔刀具的未夹持段长度，E为制孔刀具材料弹性模量，I为垂直于制孔刀具中心轴线截面的惯性矩，I=（πD⁴）/32，D为制孔刀具的直径；

步骤5.2，启动铣孔执行器开始制孔，环形测力传感器采集当前制孔刀具所承受的径向力F_ri，若F_ri≤F_rmax，则进入步骤5.3，否则铣孔执行器停止，更换制孔刀具或调整制孔刀具的铣削参数；

步骤5.3，计算出当前采样时刀具切削部变形量δ_i =F_ri· L³ /（3·E·I），再结合当前采样时制孔刀具夹持部的实际偏心量e_sj2i，计算出制孔刀具切削部的实际偏心量e_sq2i，即：e_sq2i=e_sj2i-δ_i ；

步骤5.4，若|e_sq2i-e_l|≤δ，则制孔刀具夹持部的实际偏心量e_sj2i在下一次采样中保持不变，即e_{sj2（i+1）=}e_sj2i，继续进行孔的加工；若|e_sq2i-e_l|＞δ，则制孔刀具夹持部的实际偏心量e_sj2i在下一次采样中需要进行补偿，将e_sj2（i+1）补偿至e_sq2i+δ_i，计算出刀具夹持部偏心量进行变形误差补偿时偏心驱动电机需要调节角度Δθ’，对制孔刀具夹持部的实际偏心量e_sj2（i+1）进行变形误差补偿，并在e_sj2（i+1）满足| e_{sj2（i+1）-}δ_i - e_l |≤δ时，停止制孔刀具夹持部实际偏心量e_sj2（i+1）的调节误差补偿。

本发明与现有技术相比，其有益效果是：利用环形测力传感器能够实时监测检测偏心主轴前端的径向受力情况，从而判断出制孔刀具的受力情况；利用微距激光测距传感器与柱型楔块的配合，能够根据测量的距离值间接计算出偏心主轴相对公转壳体的旋转角度θ，从而进一步计算获得夹持部实际偏心量e_sj；利用微距激光测距传感器与柱型楔块的配合结构简单，且能够安装在铣孔执行器的后端，不会影响机器人螺旋铣孔的加工操作；利用控制器模块分别与第一无线通信模块、第二无线传输模块、偏心驱动电机的配合，能够实现控制器模块对偏心主轴的旋转反馈控制，确保偏心量调节的精度。

附图说明

图1为本发明的刀具夹持部和切削部偏心量示意图；

图2为本发明的孔径误差补偿系统第一检测极限位置的工作示意图；

图3为本发明的孔径误差补偿系统第二检测极限位置的工作示意图；

图4为本发明的制孔刀具剖视的局部结构示意图；

图5为本发明的微距激光测距传感器与柱型楔块相对结构示意图；

图6为本发明的旋转角度计算模型示意图；

图中：I、公转壳体外圆中心线；II、偏心主轴单元中心线；III、刀具瞬时位置中心线。

实施方式

下面结合附图对本发明技术方案进行详细说明，但是本发明的保护范围不局限于所述实施例。

实施例

如图1-4所示，本发明公开的自适应机器人螺旋铣孔孔径误差的补偿装置包括：柱型楔块1、微距激光测距传感器2、环形测力传感器3、第一无线通信模块4、第二无线传输模块5以及控制器模块6；第一无线通信模块4以及第二无线传输模块5采用现有的蓝牙通信模块；

柱型楔块1用于固定安装在铣孔执行器10的偏心主轴102的后端面中心处，在偏心主轴102的前端偏心位置处通过夹持锁定机构安装有制孔刀具101；环形测力传感器3用于安装在铣孔执行器10的偏心主轴102前端部与公转壳体103之间，用于检测偏心主轴102前端的径向受力；微距激光测距传感器2指向柱型楔块1的被测端面，且微距激光测距传感器2的指向与偏心主轴102的中心轴线相平行；柱型楔块1的被测端面设置为斜坡面；微距激光测距传感器2与第一无线通信模块4电连接，环形测力传感器3与第二无线传输模块5电连接；第一无线通信模块4以及第二无线传输模块5均与控制器模块6的无线通信单元无线通信连接；控制器模块6的输出端用于与铣孔执行器10的偏心驱动电机106电连接，由偏心驱动电机106驱动偏心主轴102旋转，从而补偿制孔刀具101在制孔工作中的切削部实际偏心量e_sq。

利用环形测力传感器3能够实时监测检测偏心主轴102前端的径向受力情况，从而判断出制孔刀具101的受力情况；利用微距激光测距传感器2与柱型楔块1的配合，能够根据测量的距离值间接计算出偏心主轴102相对公转壳体103的旋转角度θ，从而进一步计算获得夹持部实际偏心量e_sj；利用微距激光测距传感器2与柱型楔块1的配合结构简单，且能够安装在铣孔执行器10的后端，不会影响机器人螺旋铣孔的加工操作；利用控制器模块6分别与第一无线通信模块4、第二无线传输模块5、偏心驱动电机106的配合，能够实现控制器模块6对偏心主轴102的旋转反馈控制，确保偏心量调节的精度。

进一步的，在偏心主轴102的端面上固定安装有一块轴端板104；在轴端板104的中心处垂直设置有制动轴109，且制动轴109与偏心主轴102同轴心线；在柱型楔块1的中心处设置有中心孔，柱型楔块1固定安装在轴端板104上，制动轴109贯穿中心孔；偏心主轴102旋转式安装在公转壳体103的偏心位置处，并在公转壳体103的后端安装有后端盖108；微距激光测距传感器2安装在后端盖108内，第一无线通信模块4安装在后端盖108外；在后端盖108上固定安装有与控制器模块6电连接的电磁制动器107；制动轴109的后端部伸入电磁制动器107内，由电磁制动器107对制动轴109进行制动控制。

利用制动轴109与中心孔的配合，能够固定安装柱型楔块1，确保柱型楔块1的安装稳定性；利用电磁制动器107对制动轴109进行锁定，从而能够在制孔时保持调节好的偏心量，而在偏心调节时进行释放，便于制动轴109的旋转驱动。

进一步的，偏心驱动电机106固定安装在后端盖108上，且偏心驱动电机106通过传动机构105驱动制动轴109旋转。

进一步的，夹持锁定机构包括刀杆对接轴114、制孔驱动电机111、四根锁定螺柱118、同步环121以及两根锁定柱126；在偏心主轴102的前端偏心位置处设置有旋转安装轴孔113，刀杆对接轴114的后端通过两个安装轴承110旋转式安装在旋转安装轴孔113内；制孔驱动电机111安装在旋转安装轴孔113内，且制孔驱动电机111的输出轴端部与刀杆对接轴114的后端相对接安装；在刀杆对接轴114的前端面中心处设置有刀具插孔117，制孔刀具101的后端插装在刀具插孔117中；在制孔刀具101的插入端端面上设置有矩形凹槽136，在刀具插孔117的孔底部设置有矩形凸块138，且矩形凸块138嵌入矩形凹槽136内；在刀杆对接轴114的前端圆周面上设置有四个与刀具插孔117垂直连通的锁紧螺纹孔112，且四个锁紧螺纹孔112位于同一圆周的四等分点处；四根锁定螺柱118分别螺纹旋合安装在四个锁紧螺纹孔112上，并在四根锁定螺柱118的外端部上均设置有调节齿轮119；同步环121旋转式套设在刀杆对接轴114的前端圆周面上，并在同步环121的内侧环面上设置有限位环槽124，在刀杆对接轴114的前端圆周面上设置有嵌入限位环槽124内的限位凸圈125；在同步环121的一侧环形边缘上间隔设置有各个同步齿牙122，四个调节齿轮119与对应位置处的同步齿牙122相啮合；两根锁定柱126均旋转式安装在刀杆对接轴114的前端圆周面上，且两根锁定柱126位于同一圆周的二等分点处；在同步环121的另一侧环形边缘上间隔设置有各个驱动齿牙123，在两个锁定柱126上均设置有与对应位置处的驱动齿牙123相啮合的驱动齿轮128；两根锁定柱126的端部设置为便于旋转调节的夹持端头127；在四根锁定螺柱118的内端部上均设置为锥形端头120，在制孔刀具101的后端圆周上设置有锥形收缩段139，锥形端头120按压在锥形收缩段139上，用于挤压推动制孔刀具101限位在刀具插孔117内。利用四根锁定螺柱118内端部的锥形端头120按压在锥形收缩段139上，从而实现制孔刀具101的稳定夹持固定；利用矩形凸块138与矩形凹槽136的配合，能够对制孔刀具101进行相对旋转限定；利用四个调节齿轮119、同步环121以及两个驱动齿轮128的设置，能够通过旋转锁定柱126同步调节四个调节齿轮119，从而实现四根锁定螺柱118的同步旋转，满足制孔刀具101四方向按压固定；利用限位环槽124与限位凸圈125的配合，从而实现同步环121的旋转限位。

进一步的，在刀杆对接轴114的前端圆周面上固定设置有环形罩壳115；四个调节齿轮119、同步环121以及两个驱动齿牙123均位于环形罩壳115内；夹持端头127位于环形罩壳115外。利用环形罩壳115能够防止切削粉末对内部啮合的影响。

进一步的，在刀杆对接轴114的前端圆周面上且靠近两根锁定柱126处均固定设置有一个锁定座129；在锁定座129上设置有锁定销孔130，在锁定销孔130上均插装有一根锁定销杆131；在锁定销孔130的孔壁上设置有条形限位槽，在锁定销杆131的杆壁上设置有滑动式嵌入条形限位槽内的条形限位块132；在锁定销孔130内设置有弹性支撑在锁定销杆131插入端上的回弹压簧133；在锁定销杆131的外端部上设置有条形锁定板134，并在条形锁定板134上设置有用于卡扣夹持端头127的矩形槽口135。利用条形锁定板134上的矩形槽口135能够对夹持端头127进行锁紧卡扣，从而防止使用过程中锁定柱126回旋；利用回弹压簧133能够在调节夹持端头127后及时将条形锁定板134弹起，从而实现夹持端头127与矩形槽口135及时卡扣锁定；利用条形限位槽与条形限位块132的配合能够限定锁定销杆131的收缩范围。

本发明还提供了一种自适应机器人螺旋铣孔孔径误差的补偿装置的补偿方法，包括如下步骤：

步骤1，在制孔前，根据待制孔的孔径D_h和制孔刀具101的直径d_t，计算出制孔刀具101的理论偏心量e_l，即e_l=(D_h-d_t)/2；此时制孔刀具101的夹持部实际偏心量e_sj1与切削部实际偏心量e_sq1相等，再根据待制孔加工精度要求，确定刀具偏心量的调节误差δ；

步骤2，根据制孔刀具101所需的理论偏心量e_l，计算出偏心主轴102相对公转壳体103需要旋转的理论调节角度Δθ，即

，e₀为公转壳体103中心轴线与偏心主轴102中心轴线之间的距离，再结合传动机构105的传动参数，计算出偏心驱动电机106所需的调节转角Δθ’；

步骤3，根据偏心驱动电机106所需的调节转角Δθ’，驱动偏心主轴102相对公转壳体103产生旋转，由微距激光测距传感器2实时测量柱型楔块1被测端面的距离d，再实时计算出调节过程中制孔刀具101的夹持部实际偏心量e_sj1，即：

式中，θ为偏心主轴102相对公转壳体103旋转的实际转动角度，θ的计算公式为：

式中，d_min为柱型楔块1旋转一周中微距激光测距传感器2测量的最小值，d_max为柱型楔块1旋转一周中微距激光测距传感器2测量的最大值；

如图5和6所示，最小测量值d_min以及最大测量值d_max满足：

，R为微距激光测距传感器2距离柱型楔块1中心轴线的距离；

步骤4，根据制孔刀具101夹持部实际偏心量e_sj1、调节误差δ以及制孔刀具101的理论偏心量e_l，判断制孔前是否对制孔刀具夹持部偏心量e_sj1进行调节误差补偿，并在判断需要补偿时返回步骤3；

步骤5，在制孔时，根据制孔刀具101的结构参数以及环形测力传感器3的采集数据，计算因制孔刀具101受切削力变形而带来的切削部偏心量调节误差，并根据切削部偏心量调节误差对制孔刀具夹持部偏心量e_sj2进行在线变形误差补偿。

e_sj的误差补偿包括：制孔前，刀具偏心量调节时夹持部偏心量e_sj1的调节误差补偿；制孔时，刀具切削部因受切削力而变形时的夹持部偏心量e_sj2的变形误差补偿。

进一步的，步骤4中，在判断制孔前是否对制孔刀具夹持部偏心量e_sj1进行调节误差补偿时，若|e_sj1-e_l|≤δ，则刀具夹持部偏心量e_sj1无需进行调节误差的补偿，进入制孔环节；若|e_sj1-e_l|>δ，则刀具夹持部偏心量e_sj1需进行调节误差补偿，计算出刀具夹持部偏心量e_sj1进行调节误差补偿时偏心驱动电机106所需的调节角度Δθ’，再返回步骤3进行补偿，具体补偿步骤为：

（a）根据此时微距激光测距传感器2测量值d，求出偏心主轴102相对公转壳体103旋转的角度θ，即

，并利用/>

求出此时刀具夹持部实际偏心量e_sj1；当|e_sj1-e_l|≤δ时，刀具夹持部偏心量e_sj1调节误差补偿结束，便可进入制孔环节；当|e_sj1-e_l|>δ时，进入步骤（b）；

（b）计算偏心主轴102相对公转壳体103需要旋转的角度Δθ，

，并结合传动机构105的参数，算出偏心驱动电机106需要调节转角Δθ’；

（c）根据偏心驱动电机106需要调节转角Δθ’，偏心驱动电机106通过齿轮传动105，带动驱动偏心主轴102相对公转壳体103产生旋转，然后进入步骤（a）。

进一步的，步骤5中，根据切削部偏心量调节误差对制孔刀具101刀具夹持部偏心量e_sj2进行变形误差补偿的具体步骤为：

步骤5.1，计算出制孔刀具101的切削部所能承受的最大理论径向力F_rmax=δ·3·E·I/（L³），其中，L为制孔刀具101的未夹持段长度，E为制孔刀具101材料弹性模量，I为垂直于制孔刀具101中心轴线截面的惯性矩，I=（πD⁴）/32，D为制孔刀具101的直径；

步骤5.2，启动铣孔执行器10开始制孔，环形测力传感器3采集当前制孔刀具101所承受的径向力F_ri，若F_ri≤F_rmax，则进入步骤5.3，否则铣孔执行器10停止，更换制孔刀具101或调整制孔刀具101的铣削参数；

步骤5.3，计算出当前采样时刀具切削部变形量δ_i =F_ri· L³ /（3·E·I），再结合当前采样时制孔刀具101夹持部的实际偏心量e_sj2i，计算出制孔刀具101切削部的实际偏心量e_sq2i，即：e_sq2i=e_sj2i-δ_i ；

步骤5.4，若|e_sq2i-e_l|≤δ，则制孔刀具101夹持部的实际偏心量e_sj2i在下一次采样中保持不变，即e_{sj2（i+1）=}e_sj2i，继续进行孔的加工；若|e_sq2i-e_l|＞δ，则制孔刀具101夹持部的实际偏心量e_sj2i在下一次采样中需要进行补偿，将e_sj2（i+1）补偿至e_sq2i+δ_i，计算出刀具夹持部偏心量进行变形误差补偿时偏心驱动电机106需要调节角度Δθ’，具体补偿步骤为：

（e）由e_sj2（i+1）计算偏心主轴102相对公转壳体103需要旋转的角度Δθ，Δθ=θ-2·arcsin(e_sj2（i+1）/（2e₀）)，并结合传动机构105的传动参数，算出偏心驱动电机106所需的调节转角Δθ^’；

（f）根据偏心驱动电机106所需的调节转角Δθ^’，偏心驱动电机106通过齿轮传动105，带动驱动偏心主轴102相对公转壳体103产生旋转，此时微距激光测距传感器2测量值d，求出偏心主轴102相对公转壳体103旋转的角度θ，即：

，并利用e_sj2（i+1）=2e₀·sin(θ/2)求出此时刀具夹持部实际偏心量e_sj2（i+1）；当| e_sj2（i+1）-δ_i -e_l|≤δ时，刀具夹持部偏心量e_sj2（i+1）调节误差补偿结束；当| e_sj2（i+1）-δ_i -e_l|＞δ时，进入步骤（e）。

如上所述，尽管参照特定的优选实施例已经表示和表述了本发明，但其不得解释为对本发明自身的限制。在不脱离所附权利要求定义的本发明的精神和范围前提下，可对其在形式上和细节上作出各种变化。

Claims (7)

1.一种自适应机器人螺旋铣孔孔径误差的补偿装置，其特征在于：包括柱型楔块（1）、微距激光测距传感器（2）、环形测力传感器（3）、第一无线通信模块（4）、第二无线传输模块（5）以及控制器模块（6）；

柱型楔块（1）用于固定安装在铣孔执行器（10）的偏心主轴（102）的后端面中心处，在偏心主轴（102）的前端偏心位置处通过夹持锁定机构安装有制孔刀具（101）；环形测力传感器（3）用于安装在铣孔执行器（10）的偏心主轴（102）前端部与公转壳体（103）之间，用于检测偏心主轴（102）前端的径向受力；微距激光测距传感器（2）指向柱型楔块（1）的被测端面，且微距激光测距传感器（2）的指向与偏心主轴（102）的中心轴线相平行；柱型楔块（1）的被测端面设置为斜坡面；微距激光测距传感器（2）与第一无线通信模块（4）电连接，环形测力传感器（3）与第二无线传输模块（5）电连接；第一无线通信模块（4）以及第二无线传输模块（5）均与控制器模块（6）的无线通信单元无线通信连接；控制器模块（6）的输出端用于与铣孔执行器（10）的偏心驱动电机（106）电连接，由偏心驱动电机（106）驱动偏心主轴（102）旋转，从而补偿制孔刀具（101）在制孔工作中的切削部实际偏心量e_sq；

夹持锁定机构包括刀杆对接轴（114）、制孔驱动电机（111）、四根锁定螺柱（118）、同步环（121）以及两根锁定柱（126）；在偏心主轴（102）的前端偏心位置处设置有旋转安装轴孔（113），刀杆对接轴（114）的后端通过两个安装轴承（110）旋转式安装在旋转安装轴孔（113）内；制孔驱动电机（111）安装在旋转安装轴孔（113）内，且制孔驱动电机（111）的输出轴端部与刀杆对接轴（114）的后端相对接安装；在刀杆对接轴（114）的前端面中心处设置有刀具插孔（117），制孔刀具（101）的后端插装在刀具插孔（117）中；在制孔刀具（101）的插入端端面上设置有矩形凹槽（136），在刀具插孔（117）的孔底部设置有矩形凸块（138），且矩形凸块（138）嵌入矩形凹槽（136）内；在刀杆对接轴（114）的前端圆周面上设置有四个与刀具插孔（117）垂直连通的锁紧螺纹孔（112），且四个锁紧螺纹孔（112）位于同一圆周的四等分点处；四根锁定螺柱（118）分别螺纹旋合安装在四个锁紧螺纹孔（112）上，并在四根锁定螺柱（118）的外端部上均设置有调节齿轮（119）；同步环（121）旋转式套设在刀杆对接轴（114）的前端圆周面上，并在同步环（121）的内侧环面上设置有限位环槽（124），在刀杆对接轴（114）的前端圆周面上设置有嵌入限位环槽（124）内的限位凸圈（125）；在同步环（121）的一侧环形边缘上间隔设置有各个同步齿牙（122），四个调节齿轮（119）与对应位置处的同步齿牙（122）相啮合；两根锁定柱（126）均旋转式安装在刀杆对接轴（114）的前端圆周面上，且两根锁定柱（126）位于同一圆周的二等分点处；在同步环（121）的另一侧环形边缘上间隔设置有各个驱动齿牙（123），在两个锁定柱（126）上均设置有与对应位置处的驱动齿牙（123）相啮合的驱动齿轮（128）；两根锁定柱（126）的端部设置为便于旋转调节的夹持端头（127）；在四根锁定螺柱（118）的内端部上均设置为锥形端头（120），在制孔刀具（101）的后端圆周上设置有锥形收缩段（139），锥形端头（120）按压在锥形收缩段（139）上，用于挤压推动制孔刀具（101）限位在刀具插孔（117）内；

在刀杆对接轴（114）的前端圆周面上且靠近两根锁定柱（126）处均固定设置有一个锁定座（129）；在锁定座（129）上设置有锁定销孔（130），在锁定销孔（130）上均插装有一根锁定销杆（131）；在锁定销孔（130）的孔壁上设置有条形限位槽，在锁定销杆（131）的杆壁上设置有滑动式嵌入条形限位槽内的条形限位块（132）；在锁定销孔（130）内设置有弹性支撑在锁定销杆（131）插入端上的回弹压簧（133）；在锁定销杆（131）的外端部上设置有条形锁定板（134），并在条形锁定板（134）上设置有用于卡扣夹持端头（127）的矩形槽口（135）。

2.根据权利要求1所述的自适应机器人螺旋铣孔孔径误差的补偿装置，其特征在于：在偏心主轴（102）的后端面上固定安装有一块轴端板（104）；在轴端板（104）的中心处垂直设置有制动轴（109），且制动轴（109）与偏心主轴（102）同轴心线；在柱型楔块（1）的中心处设置有中心孔，柱型楔块（1）固定安装在轴端板（104）上，制动轴（109）贯穿中心孔；偏心主轴（102）旋转式安装在公转壳体（103）的偏心位置处，并在公转壳体（103）的后端安装有后端盖（108）；微距激光测距传感器（2）安装在后端盖（108）内，第一无线通信模块（4）安装在后端盖（108）外；在后端盖（108）上固定安装有与控制器模块（6）电连接的电磁制动器（107）；制动轴（109）的后端部伸入电磁制动器（107）内，由电磁制动器（107）对制动轴（109）进行制动控制。

3.根据权利要求2所述的自适应机器人螺旋铣孔孔径误差的补偿装置，其特征在于：偏心驱动电机（106）固定安装在后端盖（108）上，且偏心驱动电机（106）通过传动机构（105）驱动制动轴（109）旋转。

4.根据权利要求1所述的自适应机器人螺旋铣孔孔径误差的补偿装置，其特征在于：在刀杆对接轴（114）的前端圆周面上固定设置有环形罩壳（115）；四个调节齿轮（119）、同步环（121）以及两个驱动齿牙（123）均位于环形罩壳（115）内；夹持端头（127）位于环形罩壳（115）外。

5.一种根据权利要求2所述的自适应机器人螺旋铣孔孔径误差的补偿装置的补偿方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1，在制孔前，根据待制孔的孔径D_h和制孔刀具（101）的直径d_t，计算出制孔刀具（101）的理论偏心量e_l，即e_l=(D_h-d_t)/2；此时制孔刀具（101）的夹持部实际偏心量e_sj1与切削部实际偏心量e_sq1相等，再根据待制孔加工精度要求，确定刀具偏心量的调节误差δ；

步骤2，根据制孔刀具（101）所需的理论偏心量e_l，计算出偏心主轴（102）相对公转壳体（103）需要旋转的理论调节角度Δθ，即

，e₀为公转壳体（103）中心轴线与偏心主轴（102）中心轴线之间的距离，再结合传动机构（105）的传动参数，计算出偏心驱动电机（106）所需的调节转角Δθ’；

步骤3，根据偏心驱动电机（106）所需的调节转角Δθ’，驱动偏心主轴（102）相对公转壳体（103）产生旋转，由微距激光测距传感器（2）实时测量柱型楔块（1）被测端面的距离d，再实时计算出调节过程中制孔刀具（101）的夹持部实际偏心量e_sj1，即：

式中，θ为偏心主轴（102）相对公转壳体（103）旋转的实际转动角度，θ的计算公式为：

式中，d_min为柱型楔块（1）旋转一周中微距激光测距传感器（2）测量的最小值，d_max为柱型楔块（1）旋转一周中微距激光测距传感器（2）测量的最大值；

步骤4，根据制孔刀具（101）夹持部实际偏心量e_sj1、调节误差δ以及制孔刀具（101）的理论偏心量e_l，判断制孔前是否对制孔刀具夹持部偏心量e_sj1进行调节误差补偿，并在判断需要补偿时返回步骤3；

步骤5，在制孔时，根据制孔刀具（101）的结构参数以及环形测力传感器（3）的采集数据，计算因制孔刀具（101）受切削力变形而带来的切削部偏心量调节误差，并根据切削部偏心量调节误差对制孔刀具夹持部偏心量e_sj2进行在线变形误差补偿。

6.根据权利要求5所述的自适应机器人螺旋铣孔孔径误差的补偿装置的补偿方法，其特征在于，步骤4中，在判断制孔前是否对制孔刀具夹持部偏心量e_sj1进行调节误差补偿时，若|e_sj1-e_l|≤δ，则刀具夹持部偏心量e_sj1无需进行调节误差的补偿，进入制孔环节；若|e_sj1-e_l|>δ，则刀具夹持部偏心量e_sj1需进行调节误差补偿，计算出刀具夹持部偏心量e_sj1进行调节误差补偿时偏心驱动电机（106）所需的调节角度Δθ’，再返回步骤3。

7.根据权利要求5或6所述的自适应机器人螺旋铣孔孔径误差的补偿装置的补偿方法，其特征在于，步骤5中，根据切削部偏心量调节误差对制孔刀具（101）刀具夹持部偏心量e_sj2进行变形误差补偿的具体步骤为：

步骤5.1，计算出制孔刀具（101）的切削部所能承受的最大理论径向力F_rmax=δ·3·E·I/（L³），其中，L为制孔刀具（101）的未夹持段长度，E为制孔刀具（101）材料弹性模量，I为垂直于制孔刀具（101）中心轴线截面的惯性矩，I=（πD⁴）/32，D为制孔刀具（101）的直径；

步骤5.2，启动铣孔执行器（10）开始制孔，环形测力传感器（3）采集当前制孔刀具（101）所承受的径向力F_ri，若F_ri≤F_rmax，则进入步骤5.3，否则铣孔执行器（10）停止，更换制孔刀具（101）或调整制孔刀具（101）的铣削参数；

步骤5.3，计算出当前采样时刀具切削部变形量δ_i =F_ri·L³ /（3·E·I），再结合当前采样时制孔刀具（101）夹持部的实际偏心量e_sj2i，计算出制孔刀具（101）切削部的实际偏心量e_sq2i，即：e_sq2i=e_sj2i-δ_i ；

步骤5.4，若|e_sq2i-e_l|≤δ，则制孔刀具（101）夹持部的实际偏心量e_sj2i在下一次采样中保持不变，即e_{sj2（i+1）=}e_sj2i，继续进行孔的加工；若|e_sq2i-e_l|＞δ，则制孔刀具（101）夹持部的实际偏心量e_sj2i在下一次采样中需要进行补偿，将e_sj2（i+1）补偿至e_sq2i+δ_i，计算出刀具夹持部偏心量进行变形误差补偿时偏心驱动电机（106）需要调节角度Δθ’，对制孔刀具（101）夹持部的实际偏心量e_sj2（i+1）进行变形误差补偿，并在e_sj2（i+1）满足| e_{sj2（i+1）-}δ_i - e_l |≤δ时，停止制孔刀具（101）夹持部实际偏心量e_sj2（i+1）的调节误差补偿。

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