CN114872045A - 一种包括作业工具的六轴工业机器人制孔系统整体刚度建模方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种包括作业工具的六轴工业机器人制孔系统整体刚度建模方法，包括以下步骤，根据虚拟关节法得到机器人等效关节刚度矩阵；根据对偶四元数得到机器人本体刚度矩阵；根据欧拉‑伯努利梁理论得到作业工具刚度矩阵；根据线性叠加原理得到包括作业工具的六轴工业机器人制孔系统整体刚度模型。本发明能够提高工业机器人制孔系统刚度建模的完整性和准确性，为六轴工业机器人制孔刚度优化提供了一种包括作业工具的整体刚度建模方法，为智能制造行业克服机器人刚度不足，提高加工精度和加工质量提供了新的思路。
Description
技术领域
本发明属于机器人刚度建模技术领域，具体涉及一种包括作业工具的六轴工业机器人制孔系统整体刚度建模方法。
背景技术
随着自动化装备在制造业中的快速发展，6关节串联机器人凭借冗余自由度能以多种姿态接近加工孔位，在制造业中体现出极强的空间灵活性和成本优势。但是串联机器人类似悬臂梁的结构特点导致其静态刚度不足，从而引起的加工误差是目前实际作业中制约工业机器人的主要因素。在加工过程中，由于机器人动态刚度、固有频率等多种因素影响，使得刀具与工件产生颤振，极大的影响了加工孔的尺寸精度和表面粗糙度。因此，对刚度进行数模分析来改善工业机器人刚度问题就显得格外具有意义。
针对机器人弱刚性问题，需对机器人刚度特性与刚度建模方法开展研究。在文献“关立文,陈志雄,刘春,薛俊.钻铆机器人静刚度建模及优化.清华大学学报,2021,61(09):965-971”中，关立文等人采用D-H参数法推导机器人运动学正解，然后结合雅可比矩阵和胡克定律建立机器人静刚度模型。中国专利CN107545127A公开了一种考虑接触的工业机器人关节刚度建模方法，该方法结合分形理论和结构受力分析建立了工业机器人关节刚度模型。
上述方法虽建立了工业机器人的刚度模型，但并未从机器人-作业工具的角度考虑整体刚度问题，未能建立包括作业工具的工业机器人整体刚度模型。
发明内容
有鉴于此，本发明针对上述现有技术存在的无法建立机器人制孔系统整体刚度模型的技术问题，提供了一种包括作业工具的六轴工业机器人制孔系统整体刚度建模方法。
本发明的技术解决方案是，提供一种包括作业工具的工业机器人制孔系统整体刚度建模方法，该方法的实现步骤如下：
步骤一：采用虚拟关节法将六轴工业机器人关节内部的动力装置与传动装置等效为弹簧，获得机器人本体的6个等效虚拟弹簧，计算机器人本体的关节等效刚度矩阵；
步骤二：根据步骤一得到的关节等效刚度矩阵，用对偶四元数来表示机器人的雅可比矩阵、机器人本体位姿、关节转角和关节位移，进而得到以对偶四元数表示的机器人本体刚度矩阵；
步骤三：根据欧拉-伯努利梁理论得到作业工具的刚度矩阵；
步骤四：采用线性叠加方法分析步骤二和步骤三得到的机器人本体刚度矩阵和作业工具刚度矩阵，根据作业工具所受的载荷和产生的形变建立包括作业工具的机器人制孔系统整体刚度模型。
可选的，所述六轴工业机器人制孔系统包括六轴机器人本体和作业工具，所述作业工具包括制孔刀具、电主轴和支撑框架，将支撑框架视为刚体，将制孔刀具和电主轴简化为悬臂梁，分析获得作业工具的刚度矩阵。
可选的，所述步骤四中，根据线性叠加原理，机器人制孔系统整体产生的形变能够由机器人关节形变和作业工具形变的和表示，整体的形变表达式为：
其中，
、
和
分别为机器人制孔系统整体形变矩阵、机器人关节形变矩阵和作业工具形变矩阵，
、
和
分别为机器人制孔系统整体刚度逆矩阵、机器人本体刚度逆矩阵和作业工具刚度逆矩阵，
为机器人作业工具受到的广义载荷矩阵；
进而获得六轴工业机器人制孔系统整体刚度逆矩阵的表达式：
进而获得包括作业工具的六轴工业机器人制孔系统的整体刚度模型。
本发明与现有技术相比，具有以下优点：采用本发明能够建立包括作业工具的六轴工业机器人制孔系统整体刚度模型，能够提高工业机器人制孔系统刚度模型的完整性和准确性，为机器人制孔刚度优化提供了一种包括作业工具的整体刚度建模方法，为智能制造行业克服机器人刚度不足，提高加工精度和质量提供了新的思路。
附图说明
图1为本发明工业机器人制孔系统示意图。
图2为本发明刚度建模技术路线图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明。
本发明涵盖任何在本发明的精髓和范围上做的替代、修改、等效方法以及方案。为了使公众对本发明有彻底的了解，在以下本发明优选实施例中详细说明了具体的细节，而对本领域技术人员来说没有这些细节的描述也可以完全理解本发明。此外，本发明之附图中为了示意的需要，并没有完全精确地按照实际比例绘制，在此予以说明。
如图1所示，所述六轴工业机器人制孔系统包括六轴机器人本体1和作业工具，所述作业工具包括制孔刀具2、电主轴3和支撑框架4。
如图2所示，本发明的一种包括作业工具的六轴工业机器人制孔系统整体刚度建模方法，包括步骤如下：
步骤一：采用虚拟关节法将六轴工业机器人关节内部的动力装置与传动装置等效为弹簧，获得机器人本体的6个等效虚拟弹簧，计算机器人本体的关节等效刚度矩阵；
步骤二：根据步骤一得到的关节等效刚度矩阵，用对偶四元数来表示机器人的雅可比矩阵、机器人本体位姿、关节转角和关节位移，进而得到以对偶四元数表示的机器人本体刚度矩阵；
步骤三：根据欧拉-伯努利梁理论分析作业工具的刚度矩阵；
步骤四：采用线性叠加方法分析步骤二和步骤三得到的机器人本体刚度矩阵和作业工具刚度矩阵，根据作业工具所受的载荷和产生的形变建立包括作业工具的机器人制孔系统整体刚度模型。
下面以一个具体的实施例来进一步说明本发明。
在本发明的其中一个实施例中，选用ABBIRB-6700工业机器人制孔系统进行包括作业工具的机器人制孔系统整体刚度模型建立，求得工业机器人制孔系统整体刚度矩阵如下：
根据包括作业工具的六轴工业机器人制孔系统整体刚度建模方法可以得到包括作业工具的ABBIRB-6700工业机器人制孔系统的整体刚度。
以上仅就本发明较佳的实施例作了说明，但不能理解为是对权利要求的限制。本发明不仅局限于以上实施例，其具体结构允许有变化。总之，凡在本发明独立权利要求的保护范围内所作的各种变化均在本发明的保护范围内。
Claims (3)
1.一种包括作业工具的六轴工业机器人制孔系统整体刚度建模方法，其特征在于，该方法的实现步骤如下：
步骤一：采用虚拟关节法将六轴工业机器人关节内部的动力装置与传动装置等效为弹簧，获得机器人本体的6个等效虚拟弹簧，计算机器人本体的关节等效刚度矩阵；
步骤二：根据步骤一得到的关节等效刚度矩阵，用对偶四元数来表示机器人的雅可比矩阵、机器人本体位姿、关节转角和关节位移，进而得到以对偶四元数表示的机器人本体刚度矩阵；
步骤三：根据欧拉-伯努利梁理论得到作业工具的刚度矩阵；
步骤四：采用线性叠加方法分析步骤二和步骤三得到的机器人本体刚度矩阵和作业工具刚度矩阵，根据作业工具所受的载荷和产生的形变建立包括作业工具的机器人制孔系统整体刚度模型。
2.根据权利要求1所述的包括作业工具的六轴工业机器人制孔系统整体刚度建模方法，所述六轴工业机器人制孔系统包括六轴机器人本体（1）和作业工具，所述作业工具包括制孔刀具（2）、电主轴（3）和支撑框架（4），将支撑框架（4）视为刚体，将制孔刀具（2）和电主轴（3）简化为悬臂梁，分析获得作业工具的刚度矩阵。
3.根据权利要求1所述的包括作业工具的六轴工业机器人制孔系统整体刚度建模方法，其特征在于，所述步骤四中，根据线性叠加原理，机器人制孔系统整体产生的形变能够由机器人关节形变和作业工具形变的和表示，整体的形变表达式为：
其中，
、
和
分别为机器人制孔系统整体形变矩阵、机器人关节形变矩阵和作业工具形变矩阵，
、
和
分别为机器人制孔系统整体刚度逆矩阵、机器人本体刚度逆矩阵和作业工具刚度逆矩阵，
为机器人作业工具受到的广义载荷矩阵；
进而获得六轴工业机器人制孔系统整体刚度逆矩阵的表达式：
进而获得包括作业工具的六轴工业机器人制孔系统的整体刚度模型。
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