CN113351704B - 一种弯管机器人轨迹控制及成形加工方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种弯管机器人轨迹控制及成形加工方法，通过预先建立的回弹控制方程并根据零件三维模型进行直观编程的控制算法，从而实现了弯管机器人在成形管材之前可以直接基于管材三维模型的空间坐标进行简单编程，不仅解决了机器人弯管过程中编程解算过程较为复杂的问题，还解决了管材成形后由于计算累积误差和回弹引起的精度不高的问题。

Description

一种弯管机器人轨迹控制及成形加工方法

技术领域

本发明属于机器人弯管成形加工技术领域，具体涉及一种弯管机器人轨迹控制及成形加工方法。

背景技术

弯管机器人成形技术是一种基于数控绕弯技术、机器人控制技术以及金属塑性成形技术之上所形成的一种柔性无模成形技术，如图1所示，该技术相较于传统的数控绕弯技术，其系统的自由度更高，占地面积更小，且无需安装庞大的机身，只需在机器人手臂末端加装弯管末端执行器(主要包括：弯曲机构、夹紧机构以及导向机构)，通过末端执行器上弯曲模与夹紧块的夹持与转动，并协同机器人手臂的平移进给运动，就可以实现管材的弯曲成形。因此，弯管机器人不仅可以承担传统简单的物料搬运任务，还可利用自身的高柔性特点完成很多复杂管件的弯曲操作。

由于弯管机器人成形技术其特殊的加工方式，原始管材被外部夹持机构夹紧，末端执行器在机器人的控制下对原始管材进行弯曲成形，因此该种成形方式对机器人的点位控制以及末端执行器的姿态控制具有较高要求。

而经过对现有的弯管机器人成形技术的检索发现：目前在机器人弯管成形加工技术领域，原始管材加工都从端部往内加工，这就导致弯管机器人成形算法需要从原始管材的加工端部开始解算，这种编程方式不是一种直观的编程，需要根据零件的几何特征进行反向解算，且解算的参数较多，如专利CN111659780A公开的一种机器人弯管加工方法，但该方法为典型的从端部开始加工的思路，需要对每一次弯曲角度、每一次弯曲方向以及每段直段进给距离进行计算，且每次计算要根据上一次的计算结果进行推算，这就导致计算误差的不断累计，使得最终成形得到的零件尺寸偏差较大。此外，弯管机器人成形过程中，管材发生回弹是无法消除的，因此从管端向内弯曲成形，每一弯曲段都会产生回弹，这样每一段的回弹累计起来也会使得整体零件尺寸发生较大偏差。因此目前缺少一种可以根据零件三维模型进行直观编程的控制方法，且保证每一次弯曲都会进行位置校核，以保证最终零件的尺寸精度。

发明内容

本发明针对现有技术存在的上述不足，提出了一种弯管机器人轨迹控制及成形加工方法，以解决机器人弯管过程中解算过程复杂以及管材成形后由于计算误差和回弹引起的精度不高的问题。

本发明是通过以下技术方案实现的：

一种弯管机器人轨迹控制及成形加工方法，包括如下步骤：

(1)建立回弹控制方程，通过该方程来控制弯管机器人每次的弯曲角度；

(2)建立工件三维模型，根据右手定则将固定的工件坐标系O₁X₁Y₁Z₁设定在管端夹紧位置，将工具坐标系O₂X₂Y₂Z₂设定在末端执行器弯曲模口中心位置，并记录下工件三维模型上首尾坐标、各弯曲段的切点坐标以及各弯曲段的实际弯曲角度β；

(3)根据(2)中获取的参数坐标及弯曲角度对弯管机器人各成形参数进行解算，包括进给距离、控制点位坐标以及末端执行器姿态控制角；

(4)弯管机器人成形时，首先弯管机器人根据控制点位所对应的姿态控制角θ_x，θ_y，θ_z来控制末端执行器的进入姿态，然后弯管机器人根据控制点位坐标将末端执行器送到指定位置并夹紧管材，最后弯管机器人根据计算出的控制点位所对应的进给距离带动弯曲末端执行器沿着工具坐标系O₂Z₂轴负方向以进给速度v进行平移运动，同时弯曲模绕弯曲中心以旋转速度ω带动管材进行弯曲成形；

(5)第一段弯曲段成形结束后，弯管机器人末端执行器松开并脱离管材到达安全位置，之后弯管机器人根据下一段弯曲段解算所得成形参数来控制末端执行器进行弯曲成形，直至弯曲成形完所有弯曲段，得到最终的工件。

所述的轨迹控制及成形加工方法，该回弹控制方程的求解过程为：

(11)、确定待成形管材的参数特征，包括材料、管材直径d、管材壁厚t、弯曲半径r；

(12)、保持弯曲半径r不变，利用弯管机器人对待成形管材分别进行理论设定弯曲角度α为10°、30°、50°、70°、90°、110°、130°、150°、170°的弯曲成形，并记录下每次管材成形后的实际弯曲角度β；

(13)、采用幂函数y＝kxⁿ对测量结果α、β的值进行拟合，得到弯曲半径为r时，该规格管材的回弹控制方程为：

α＝kβⁿ

其中，α为理论设定弯曲角度；β为实际弯曲角度；k，n为拟合出来的回弹控制系数，其取值与管材材料、管材直径d以及管材壁厚t相关。

所述的轨迹控制及成形加工方法，对于包含两段弯曲的，所述步骤(3)包括以下步骤：

(31)、弯管机器人进给距离：

其中，

为AB的弧长，单位mm，

为CD的弧长，单位mm；

(32)、弯管机器人控制点位坐标：

(33)、弯管机器人末端执行器姿态控制角θ_x，θ_y，θ_z：

A′点弯曲控制点姿态控制角：

C′点弯曲控制点姿态控制角：

其中：β₁为第一个弯曲段的夹角，β₂为第二个弯曲段的夹角，θ_z为工具坐标系O₂Z₂轴与工件坐标系O₁Z₁轴的夹角，θ_y为工具坐标系O₂Y₂轴与工件坐标系O₁Y₁轴的夹角，θ_x为工具坐标系O₂X₂轴与工件坐标系O₁X₁的夹角；

(34)、弯管机器人弯曲模速度控制方程：

其中：ω为弯曲模绕弯曲中心的旋转速度，单位为rad/s；r为弯曲模的弯曲半径，单位为mm；v为弯曲模弯曲中心沿工具坐标系O₂Z₂轴负方向的平移进给速度，单位为mm/s。

所述的轨迹控制及成形加工方法，对于包含三段弯曲的，所述步骤(3)包括以下步骤：

(31)、弯管机器人进给距离：

(32)、弯管机器人控制点位坐标：

(33)、弯管机器人末端执行器姿态控制角θ_x，θ_y，θ_z：

A′点弯曲控制点姿态控制角：

C′点弯曲控制点姿态控制角：

E′点弯曲控制点姿态控制角：

其中：β₁为第一个弯曲段的夹角，β₂为第二个弯曲段的夹角，β₃为第三个弯曲段的夹角，θ_z为工具坐标系3的O₂Z₂轴与工件坐标系4的O₁Z₁轴的夹角，θ_y为工具坐标系3的O₂Y₂轴与工件坐标系4的O₁Y₁轴的夹角，θ_x为工具坐标系3的O₂X₂轴与工件坐标系4的O₁X₁的夹角；

上述技术方案具有如下优点或有益效果：

本发明具有如下有益效果：本发明提出了一种弯管机器人轨迹控制及成形加工方法，通过预先建立的回弹控制方程和根据零件三维模型进行直观编程的控制算法，从而实现了弯管机器人在成形管材之前可以直接基于管材三维模型的空间坐标进行简单编程，不仅解决了机器人弯管过程中编程解算过程较为复杂的问题，还解决了管材成形后由于计算累积误差和回弹引起的精度不高的问题。

附图说明

图1背景技术中弯曲机器人成形示意图；

图2弯曲机器人成形工具坐标系O₂X₂Y₂Z₂示意图；

图3弯曲机器人成形工件坐标系O₁X₁Y₁Z₁示意图；

图4弯管机器人弯曲模旋转速度与平移进给速度示意图；

图5弯管机器人成形工件示意图；

图6弯管机器人双弯成形工艺算法解析示意图；

图7弯管机器人三弯成形工艺算法解析示意图；

图中：1.机器人，2.末端执行器，21.弯曲模，3.工具坐标系，4.工件坐标系，5.管材，6.外部夹持机构，7.工件。

具体实施方式

以下结合具体实施例，对本发明进行详细说明。

实施例1

如图2-图6所示，公开了一种弯管机器人成形轨迹控制方法(双弯)，包括如下步骤：

(1)建立回弹控制方程，通过该方程来控制弯管机器人每次的弯曲角度。

该回弹控制方程的求解过程为：

1、确定待成形管材5的参数特征，包括材料为6061Al、管材直径d为16mm、管材壁厚t为2mm、弯曲半径r为2.5d。

2、保持弯曲半径r为2.5d不变，利用弯管机器人对待成形管材5分别进行理论设定弯曲角度α为10°、30°、50°、70°、90°、110°、130°、150°、170°的弯曲成形，并记录下每次管材5成形后的实际弯曲角度β。

3、采用幂函数y＝kxⁿ对测量结果α、β的值进行拟合，得到弯曲半径r为2.5d，该规格管材5的回弹控制方程为：

α＝kβⁿ

其中，α为理论设定弯曲角度；β为实际弯曲角度；k，n为拟合出来的回弹控制系数，其取值与管材5的材料、直径d以及壁厚t相关。

(2)建立工件7的三维模型，根据右手定则将固定的工件坐标系4设定在管端夹紧位置，将工具坐标系3设定在末端执行器2弯曲模口中心位置，并记录下工件7三维模型上首尾坐标点O₁和E、各弯曲段的切点坐标A、B、C、D以及第一段弯曲角度β₁和第二段弯曲角度β₂；

(3)根据(2)中获取的O₁、A、B、C、D、E参数坐标以及各段弯曲角度β₁和β₂对弯管机器人各成形参数进行解算，包括进给距离、控制点位坐标以及末端执行器姿态控制角：

1、弯管机器人进给距离：

2、弯管机器人控制点位坐标：

3、弯管机器人末端执行器2姿态控制角θ_x，θ_y，θ_z：

A′点弯曲控制点姿态控制角：

C′点弯曲控制点姿态控制角：

其中：β₁为第一个弯曲段的夹角，β₂为第二个弯曲段的夹角，θ_z为工具坐标系3的O₂Z₂轴与工件坐标系4的O₁Z₁轴的夹角，θ_y为工具坐标系3的O₂Y₂轴与工件坐标系4的O₁Y₁轴的夹角，θ_x为工具坐标系3的O₂Z₂轴与工件坐标系4的O₁X₁的夹角；

4、弯管机器人弯曲模速度控制方程：

其中：ω为弯曲模绕弯曲中心的旋转速度，单位为rad/s；r为弯曲模21的弯曲半径，单位为mm；v为弯曲模21绕弯曲中心沿工具坐标系3的O₂Z₂轴负方向的平移进给速度，单位为mm/s；

(4)弯管机器人成形时，首先弯管机器人根据控制点位所对应的姿态控制角θ_x，θ_y，θ_z来控制末端执行器2的进入姿态，然后弯管机器人根据控制点位坐标将末端执行器2送到指定位置并夹紧管材5，最后弯管机器人根据计算出的控制点位所对应的进给距离带动弯曲末端执行器2沿着工具坐标系3的O₂Z₂轴负方向以进给速度v进行平移运动，同时弯曲模21绕弯曲中心以旋转速度ω带动管材5进行弯曲成形。

(5)第一段弯曲段成形结束后，弯管机器人末端执行器2松开并脱离管材5到达安全位置，之后弯管机器人根据下一段弯曲段解算所得成形参数来控制末端执行器2进行弯曲成形，直至弯曲成形完所有弯曲段，得到最终的工件7。

实施例2

如图2-图4以及图7所示，一种弯管机器人成形轨迹控制方法(三弯)，包括如下步骤：

(1)建立回弹控制方程，通过该方程来控制弯管机器人每次的弯曲角度。

该回弹控制方程的求解过程为：

1、确定待成形管材5的参数特征，包括材料为304不锈钢、管材直径d为12mm、管材壁厚t为1mm、弯曲半径r为3d。

2、保持弯曲半径r为3d不变，利用弯管机器人对待成形管材5分别进行理论设定弯曲角度α为10°、30°、50°、70°、90°、110°、130°、150°、170°的弯曲成形，并记录下每次管材5成形后的实际弯曲角度β。

3、采用幂函数y＝kxⁿ对测量结果α、β的值进行拟合，得到弯曲半径r为3d，该规格管材5的回弹控制方程为：

α＝kβⁿ

其中，α为理论设定弯曲角度；β为实际弯曲角度；k，n为拟合出来的回弹控制系数，其取值与管材5的材料、直径d以及壁厚t相关。

(2)建立工件7的三维模型，根据右手定则将固定的工件坐标系4设定在管端夹紧位置，将工具坐标系3设定在末端执行器2弯曲模口中心位置，并记录下工件7三维模型上首尾坐标点o₁和G、各弯曲段的切点坐标A、B、C、D、E、F以及第一段弯曲角度β₁、第二段弯曲角度β₂以及第三段弯曲角度β₃。

(3)根据(2)中获取的O₁、A、B、C、D、E、F、G参数坐标以及各段弯曲角度β₁、β₂、β₃对弯管机器人各成形参数进行解算，包括进给距离、控制点位坐标以及末端执行器姿态控制角：

1、弯管机器人进给距离：

2、弯管机器人控制点位坐标：

3、弯管机器人末端执行器2姿态控制角θ_x，θ_y，θ_z：

A′点弯曲控制点姿态控制角：

C′点弯曲控制点姿态控制角：

E′点弯曲控制点姿态控制角：

其中：β₁为第一个弯曲段的夹角，β₂为第二个弯曲段的夹角，β₃为第三个弯曲段的夹角，θ_z为工具坐标系3的O₂Z₂轴与工件坐标系4的O₁Z₁轴的夹角，θ_y为工具坐标系3的O₂Y₂轴与工件坐标系4的O₁Y₁轴的夹角，θ_x为工具坐标系3的O₂X₂轴与工件坐标系4的O₁X₁的夹角；

4、弯管机器人弯曲模速度控制方程：

其中：ω为弯曲模绕弯曲中心的旋转速度，单位为rad/s；r为弯曲模21的弯曲半径，单位为mm；v为弯曲模21绕弯曲中心沿工具坐标系3的O₂Z₂轴负方向的平移进给速度，单位为mm/s；

(4)弯管机器人成形时，首先弯管机器人根据控制点位所对应的姿态控制角θ_x，θ_y，θ_z来控制末端执行器2的进入姿态，然后弯管机器人根据控制点位坐标将末端执行器2送到指定位置并夹紧管材5，最后弯管机器人根据计算出的控制点位所对应的进给距离带动弯曲末端执行器2沿着工具坐标系3的O₂Z₂轴负方向以进给速度v进行平移运动，同时弯曲模21绕弯曲中心以旋转速度ω带动管材5进行弯曲成形。

(5)第一段弯曲段成形结束后，弯管机器人末端执行器2松开并脱离管材5到达安全位置，之后弯管机器人根据下一段弯曲段解算所得成形参数来控制末端执行器2进行弯曲成形，直至弯曲成形完所有弯曲段，得到最终的工件7

应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。

Claims (4)

1.一种弯管机器人轨迹控制及成形加工方法，其特征在于，包括如下步骤：

(1)建立回弹控制方程，通过该方程来控制弯管机器人每次的弯曲角度；

(2)建立工件三维模型，根据右手定则将固定的工件坐标系O₁X₁Y₁Z₁设定在管端夹紧位置，将工具坐标系O₂X₂Y₂Z₂设定在末端执行器弯曲模口中心位置，并记录下工件三维模型上首尾坐标、各弯曲段的切点坐标以及各弯曲段的实际弯曲角度β；

(3)根据(2)中获取的参数坐标及弯曲角度对弯管机器人各成形参数进行解算，包括进给距离、控制点位坐标以及末端执行器姿态控制角；

(4)弯管机器人成形时，首先弯管机器人根据控制点位所对应的姿态控制角θ_x，θ_y，θ_z来控制末端执行器的进入姿态，然后弯管机器人根据控制点位坐标将末端执行器送到指定位置并夹紧管材，最后弯管机器人根据计算出的控制点位所对应的进给距离带动弯曲末端执行器沿着工具坐标系O₂Z₂轴负方向以进给速度v进行平移运动，同时弯曲模绕弯曲中心以旋转速度ω带动管材进行弯曲成形；

(5)第一段弯曲段成形结束后，弯管机器人末端执行器松开并脱离管材到达安全位置，之后弯管机器人根据下一段弯曲段解算所得成形参数来控制末端执行器进行弯曲成形，直至弯曲成形完所有弯曲段，得到最终的工件。

2.根据权利要求1所述的轨迹控制及成形加工方法，其特征在于，步骤(1)中，该回弹控制方程的求解过程为：

(11)、确定待成形管材的参数特征，包括材料、管材直径d、管材壁厚t、弯曲半径r；

(12)、保持弯曲半径r不变，利用弯管机器人对待成形管材分别进行理论设定弯曲角度α为10°、30°、50°、70°、90°、110°、130°、150°、170°的弯曲成形，并记录下每次管材成形后的实际弯曲角度β；

(13)、采用幂函数y＝kxⁿ对测量结果α、β的值进行拟合，得到弯曲半径为r时，该规格管材的回弹控制方程为：

α＝kβⁿ

其中，α为理论设定弯曲角度；β为实际弯曲角度；k，n为拟合出来的回弹控制系数，其取值与管材材料、管材直径d以及管材壁厚t相关。

3.根据权利要求2所述的轨迹控制及成形加工方法，其特征在于，对于包含两段弯曲的，所述步骤(3)包括以下步骤：

其中，O₁、A、B、C、D、E的定义为：O₁为工件坐标系的原地位置，也为工件起始端坐标，E为工件末端坐标，A、B、C、D分别是位于工件起始端和工件末端之间的两个弯曲的切点坐标；

(31)、弯管机器人进给距离：

其中，

为AB的弧长，单位mm，

为CD的弧长，单位mm；

(32)、弯管机器人控制点位坐标：

(33)、弯管机器人末端执行器姿态控制角θ_x，θ_y，θ_z：

A′点弯曲控制点姿态控制角：

C′点弯曲控制点姿态控制角：

其中：β₁为第一个弯曲段的夹角，β₂为第二个弯曲段的夹角，θ_z为工具坐标系O₂Z₂轴与工件坐标系O₁Z₁轴的夹角，θ_y为工具坐标系O₂Y₂轴与工件坐标系O₁Y₁轴的夹角，θ_x为工具坐标系O₂X₂轴与工件坐标系O₁X₁的夹角；

(34)、弯管机器人弯曲模速度控制方程：

其中：ω为弯曲模绕弯曲中心的旋转速度，单位为rad/s；r为弯曲模的弯曲半径，单位为mm；v为弯曲模弯曲中心沿工具坐标系O₂Z₂轴负方向的平移进给速度，单位为mm/s。

4.根据权利要求2所述的轨迹控制及成形加工方法，其特征在于，对于包含三段弯曲的，所述步骤(3)包括以下步骤：

其中，O₁、A、B、C、D、E、F、G的定义为：O₁为工件坐标系的原地位置，也为工件起始端坐标，G为工件末端坐标，A、B、C、D、E、F分别是位于工件起始端和工件末端之间的三个弯曲的切点坐标；

(31)、弯管机器人进给距离：

(32)、弯管机器人控制点位坐标：

(33)、弯管机器人末端执行器姿态控制角θ_x，θ_y，θ_z：

A′点弯曲控制点姿态控制角：

C′点弯曲控制点姿态控制角：

E′点弯曲控制点姿态控制角：

其中：β₁为第一个弯曲段的夹角，β₂为第二个弯曲段的夹角，β₃为第三个弯曲段的夹角，θ_z为工具坐标系3的O₂Z₂轴与工件坐标系4的O₁Z₁轴的夹角，θ_y为工具坐标系3的O₂Y₂轴与工件坐标系4的O₁Y₁轴的夹角，θ_x为工具坐标系3的O₂X₂轴与工件坐标系4的O₁X₁的夹角；

Images