CN116006630B

CN116006630B - 用于机器人加工多频共生颤振抑制的磁流变减振方法

Info

Publication number: CN116006630B
Application number: CN202310279896.0A
Authority: CN
Inventors: 李波; 赵威; 田威; 刘鹏; 王品章
Original assignee: Nanjing University of Aeronautics and Astronautics
Current assignee: Nanjing University of Aeronautics and Astronautics
Priority date: 2023-03-22
Filing date: 2023-03-22
Publication date: 2023-06-06
Anticipated expiration: 2043-03-22
Also published as: CN116006630A

Abstract

本发明提供了一种用于机器人加工多频共生颤振抑制的磁流变减振方法，涉及工业机器人减振技术领域。本发明提出的减振系统包括磁流变装置与多通道可调电源。磁流变装置包括环形阵列分布的磁流变弹性体吸振器。本发明提出的减振系统充分考虑机器人加工颤振时多个颤振频率共生的问题，通过分析外界颤振频率范围，可改变磁流变装置中每个磁流变弹性体的尺寸，使得磁流变装置工作带宽适应于不同颤振频率，最大限度吸收颤振能量。且所涉及磁流变弹性体吸振器底座设计为磁力座，振子设有配重螺纹孔，方便安装于不同末端执行器上的同时可调整振子重量，进一步提高机器人加工质量和稳定性并具备良好的普适性。

Description

用于机器人加工多频共生颤振抑制的磁流变减振方法

技术领域

本发明涉及工业机器人减振技术领域，尤其涉及用于机器人加工多频共生颤振抑制的磁流变减振方法。

背景技术

近年来，工业机器人作为一种智能加工载体，在汽车、船舶、航空、航天等领域得到了越来越广泛的应用。相对于传统的数控机床，机器人加工具备成本低、工作空间大、灵活性强等优势。然而，由于机器人刚度低（通常只有机床的1/50），导致其在加工时受切削力作用易发生颤振，导致加工精度、加工质量下降，严重时甚至会造成产品报废、机器人损坏的严重后果。因此，如何抑制机器人加工颤振，实现机器人高精度高质量加工是亟待解决的问题。

机器人加工颤振抑制主要有被动抑制、半主动抑制及主动抑制三种方法。被动抑制法主要是通过结构设计或安装各类被动减振器和阻尼器来优化机器人系统刚度和阻尼特性，实现颤振的抑制。此方法实现简单、工作可靠且不需要额外的能量输入，但缺乏对激励变化以及外部干扰的预测与补偿能力，存在一定的局限性。主动抑制法主要通过外加能量的输入，给系统提供与振源反方向的力或位移，从而抵消振动，实现颤振抑制。虽然主动抑制法在机器人加工颤振抑制上取得了良好的效果，但目前主要应用于打磨等简单加工领域，在制孔、铣削等高精加工中的技术成熟度有待进一步提升。

针对被动抑制和主动抑制方法各自的优势与不足，近年来，众多学者开始研究机器人加工颤振半主动抑制方法。

中国专利CN112454382A提出了一种工业机器人切削加工变刚度自适应减振系统，通过在工业机器人本体与末端执行器之间设计可变刚度的磁流变弹性体减振器，利用隔振的原理，改变机器人切削加工系统整体固有频率以避开加工振动频率，实现机器人切削加工的振动抑制。上述方法虽然减小了末端振动向工业机器人本体的传递，但末端的振动仍然明显，减振效果不佳。

学术期刊《Mechanical Systems and Signal Processing》, 2019, 117: 221-237上发表了机器人加工模态耦合颤振抑制的文章，利用磁流变弹性体响应快速、可逆的特性，设计并制备了一种磁流变弹性体吸振器，抑制了机器人加工时12Hz左右的颤振信号，有效提高了机器人加工表面质量。

学术期刊《Robotics and Computer Integrated Manufacturing》, 2020, 63:101911上提出在机器人加工时辅以旋转超声加工，通过超声能量的摄入，减小动态切削层厚度，降低动态铣削力，以此实现机器人加工颤振抑制。

然而，现有的一些针对工业机器人加工颤振抑制的方法中，大多限于单个颤振频率的抑制，而当机器人发生颤振时，往往多个颤振频率同时存在，因此现有技术存在局限性。

发明内容

发明目的：提出一种用于机器人加工多频共生颤振抑制的磁流变减振系统，并进一步提出一种应用上述磁流变减振系统而实现的磁流变减振方法，以解决现有技术存在的上述问题。

技术方案：本发明提出的用于机器人加工多频共生颤振抑制的磁流变减振系统包括机器人本体、磁流变装置、多通道可调电源。磁流变装置与机器人末端执行器通过螺栓固定连接，末端执行器通过法兰与工业机器人本体连接。多通道可调电源与磁流变装置通过导线相连。

在进一步的实施例中，多通道可调电源为可编程电源，可内嵌电流控制算法。磁流变装置包括磁流变弹性体吸振器和安装盘。磁流变装置中磁流变弹性体吸振器呈环形阵列分布。

在进一步的实施例中，磁流变弹性体吸振器包括振子（附有出线孔）、磁流变弹性体、导磁座、隔磁环、磁力座、配重螺纹孔、龙骨、线圈和线圈套。

磁流变弹性体吸振器与安装盘之间通过磁力座连接，振子与龙骨间隙配合，线圈绕在龙骨上，线圈套与线圈过盈配合。振子与磁流变弹性体通过磁性胶粘接在一起，磁流变弹性体与导磁座通过磁性胶粘接在一起。导磁座与隔磁环及磁力座通过螺栓固定连接。线圈两端经出线孔与多通道可调电源通过导线连接。

在进一步的实施例中，磁流变弹性体吸振器可通过配重螺纹孔施加配重块，改变振子重量。

在进一步的实施例中，安装盘所用材料为低碳钢，振子所用材料为电磁纯铁，磁流变弹性体为由羰基铁粉、硅油、硅橡胶按7：1.5：1.5比例混合制成的可变刚度材料，导磁座所用材料为低碳钢，隔磁环所用材料为铝合金，磁力座所用材料为烧结钕铁硼强磁体，龙骨所用材料为聚四氟乙烯，线圈所用材料为铜漆包线，线圈套所用材料为聚四氟乙烯。

在进一步的实施例中，提出一种用于机器人加工多频共生颤振抑制的磁流变减振方法，该减振方法基于上述实施例提出的磁流变减振系统以实现。

具体来说，在机器人加工过程中监测颤振频率数量及颤振频率，由多通道可调电源控制所述磁流变弹性体吸振器的输入电流，从而改变所述磁流变弹性体吸振器的颤振频率。

当所述颤振频率数量N=0时，全部磁流变弹性体吸振器不工作。当所述颤振频率数量N=1时，则控制电流使得全部磁流变弹性体吸振器固有频率均与此时的颤振频率相同。当所述颤振频率数量N＞1时，判断此时颤振频率数量N与所述磁流变弹性体吸振器数量M之间的关系条件，包括条件A，对应处理流程

；条件B，对应处理流程/>

；条件C，对应处理流程/>

；条件D，对应处理流程/>

。

在进一步的实施例中，条件A如下：若机器人加工时多个颤振频率同时存在，且此时颤振频率数量与所述磁流变弹性体吸振器数量相同，执行处理流程

：

根据磁流变弹性体吸振器上所述磁流变弹性体的尺寸大小对所述磁流变弹性体吸振器的目标减振频率排序；所述磁流变弹性体的尺寸与所述磁流变弹性体吸振器的目标减振频率正相关。

在进一步的实施例中，条件B：若机器人加工时多个颤振频率同时存在，但此时磁流变弹性体吸振器数量为颤振频率数量的整数倍n时，执行处理流程

：

使过安装盘几何中心点的n个磁流变弹性体吸振器的磁流变弹性体尺寸相同，此时每个颤振频率的能量由n个吸振器同时吸收。

在进一步的实施例中，条件C：若机器人加工时多个颤振频率同时存在，当磁流变弹性体吸振器数量与颤振频率数量不满足条件A和条件B，且颤振频率数量小于磁流变弹性体吸振器数量时，执行处理流程

：

减小磁流变弹性体吸振器数量使其与颤振频率数量相等，或增大吸振器数量使其为颤振频率数量的整数倍，进而参照处理流程

进行工作。

在进一步的实施例中，条件D：若机器人加工时多个颤振频率同时存在、且磁流变弹性体吸振器中存在的工作带宽不包含颤振频率，执行处理流程

：

调整当前磁流变弹性体的尺寸使其对应吸振器工作带宽。

本发明的有益效果是：

1）磁流变装置设有多个环形阵列分布的磁流变弹性体吸振器，其通入电流通过多通道可调电源分别控制，结构对称的同时可吸收多个颤振频率能量。

2）磁流变装置中磁流变弹性体尺寸可根据颤振频率大小进行调整，使得不同磁流变弹性体流变特性不同，吸振器基频可变，有效扩大磁流变装置工作带宽。

3）磁流变装置中磁流变弹性体吸振器底座设计为磁力座，振子设有配重螺纹孔，方便安装于不同末端执行器上的同时可调整振子重量，进一步提高机器人加工质量和稳定性并具备良好的普适性。

附图说明

图1是本发明磁流变减振系统安装示意图。

图2是图1中B处局部放大图。

图3是磁流变装置与多通道可调电源的连接示意图。

图4是本发明磁流变弹性体吸振器三维结构示意图。

图5是图4中磁流变弹性体吸振器的剖面图。

图6是本发明磁流变装置工作原理框图。

图中各附图标记为：磁流变装置1、a磁流变弹性体吸振器2、b磁流变弹性体吸振器3、c磁流变弹性体吸振器4、d磁流变弹性体吸振器5、e磁流变弹性体吸振器6、f磁流变弹性体吸振器7、安装盘8、导线9、多通道可调电源10、振子11、出线孔12、磁流变弹性体13、导磁座14、隔磁环15、磁力座16、配重螺纹孔17、龙骨18、线圈19、线圈套20、机器人21、末端执行器22。

实施方式

在下文的描述中，给出了大量具体的细节以便提供对本发明更为彻底的理解。然而，对于本领域技术人员而言显而易见的是，本发明可以无需一个或多个这些细节而得以实施。在其他例子中，为了避免与本发明发生混淆，对于本领域公知的一些技术特征未进行描述。

在工业机器人加工领域，由于机器人刚度低（通常只有机床的1/50），导致其在加工时受切削力作用易发生颤振，导致加工精度、加工质量下降，严重时甚至会造成产品报废、机器人损坏的严重后果。因此，如何抑制机器人加工颤振，实现机器人高精度高质量加工是亟待解决的问题。

为此，申请人旨在解决传统技术的不足，提出一种用于机器人加工多频共生颤振抑制的磁流变减振系统的技术方案。请参阅图1至图5，图1展示了磁流变减振系统的安装示意图。图2展示了图1中B处局部放大图，即磁流变装置1与末端执行器22的连接示意图。图3展示了磁流变装置1与多通道可调电源10的连接示意图。图4展示了磁流变弹性体吸振器的三维结构。图5展示了磁流变弹性体吸振器沿着图4中A-A的剖面图。

该磁流变减振系统包括磁流变装置1、a磁流变弹性体吸振器2、b磁流变弹性体吸振器3、c磁流变弹性体吸振器4、d磁流变弹性体吸振器5、e磁流变弹性体吸振器6、f磁流变弹性体吸振器7、安装盘8、导线9、多通道可调电源10、振子11、出线孔12、磁流变弹性体13、导磁座14、隔磁环15、磁力座16、配重螺纹孔17、龙骨18、线圈19、线圈套20。磁流变装置1包括环形阵列分布的a磁流变弹性体吸振器2、b磁流变弹性体吸振器3、c磁流变弹性体吸振器4、d磁流变弹性体吸振器5、e磁流变弹性体吸振器6、f磁流变弹性体吸振器7，安装盘8，且每个吸振器中磁流变弹性体的尺寸不尽相同。a磁流变弹性体吸振器2、b磁流变弹性体吸振器3、c磁流变弹性体吸振器4、d磁流变弹性体吸振器5、e磁流变弹性体吸振器6、f磁流变弹性体吸振器7均包括振子11（附有出线孔12）、磁流变弹性体13、导磁座14、隔磁环15、磁力座16、配重螺纹孔17、龙骨18、线圈19和线圈套20。多通道可调电源为可编程电源，可内嵌电流控制算法。

磁流变装置1通过末端执行器22与工业机器人本体相连。磁流变装置1与末端执行器22之间通过安装盘8进行螺栓固定连接。a磁流变弹性体吸振器2、b磁流变弹性体吸振器3、c磁流变弹性体吸振器4、d磁流变弹性体吸振器5、e磁流变弹性体吸振器6、f磁流变弹性体吸振器7通过磁力座16与安装盘8进行磁吸连接。振子11与龙骨18间隙配合连接，线圈19缠绕在龙骨18上，线圈套20与线圈19过盈配合。振子11与磁流变弹性体13通过磁性胶粘接在一起，磁流变弹性体13与导磁座14通过磁性胶粘接在一起。导磁座14与隔磁环15及磁力座16通过螺栓固定连接。线圈19两端经出线孔12通过导线9与多通道可调电源10连接。

磁流变装置1工作原理见图6：利用磁流变弹性体13受外界磁场变化时刚度可变的特性，通过控制每个a磁流变弹性体吸振器2、b磁流变弹性体吸振器3、c磁流变弹性体吸振器4、d磁流变弹性体吸振器5、e磁流变弹性体吸振器6、f磁流变弹性体吸振器7中线圈的输入电流，改变磁流变弹性体13外界磁场，使其刚度变化，进而调整a磁流变弹性体吸振器2、b磁流变弹性体吸振器3、c磁流变弹性体吸振器4、d磁流变弹性体吸振器5、e磁流变弹性体吸振器6、f磁流变弹性体吸振器7固有频率与外界加工颤振频率相同，振子发生共振，吸收颤振能量，减小刀尖点振动。

具体地，若机器人21加工时仅有单个颤振频率，则经由多通道可调电源10控制输出电流，改变磁流变弹性体13刚度，使得a磁流变弹性体吸振器2、b磁流变弹性体吸振器3、c磁流变弹性体吸振器4、d磁流变弹性体吸振器5、e磁流变弹性体吸振器6、f磁流变弹性体吸振器7固有频率均与此时的颤振频率相同。若多个颤振频率同时存在，且此时颤振频率数量与吸振器数量（以6个为例）相同，令尺寸小的磁流变弹性体13所对应的吸振器目标减振频率是较低的颤振频率，依次类推。若多个颤振频率同时存在，但此时颤振频率数量（以3个为例）少于吸振器数量（以6个为例）相同，则使过安装盘8几何中心点的两个磁流变弹性体吸振器，即a磁流变弹性体吸振器2与f磁流变弹性体吸振器7、b磁流变弹性体吸振器3与e磁流变弹性体吸振器6、c磁流变弹性体吸振器4与d磁流变弹性体吸振器5的磁流变弹性体13尺寸相同，此时每个颤振频率可有两个吸振器同时工作。当颤振频率为小于吸振器数量（以6个为例）的其他数量时，若为6的因数，则参照上述作为。否则，可减小吸振器数量使其与颤振频率数量相等或为其倍数。

进一步地，通过在多通道可调电源中嵌入控制算法。将磁流变装置1视作一个减振系统，受磁流变弹性体13粘弹性特性及振子11与安装盘8之间多端连接影响，磁流变减振系统具有非线性特性，建模困难，参数具有不确定性和时变性，影响因素较多。因此，采用合理的控制算法才能充分发挥出磁流变减振系统的优势。与传统控制方法相比，模糊控制并不需要对被控过程进行定量的数学建模，对于非线性和复杂对象的控制鲁棒性好，控制性能高。本文以模糊控制为例，通过电流控制，不断迭代寻优，使得磁流变装置1中吸振器频率与颤振频率相等，减小机器人21加工时末端刀尖点振动位移。

刀尖点铣削加工振动信号往往采用加速度传感器进行采集，减振系统激励为加速度。而减振系统位移是有加速度经二次积分得到，初始条件的影响较大，且抗干扰能力差，因此，选择减振系统相对安装盘8的速度

和位移/>

乘以比例系数k₁、k₂后的RV和RD作为控制器输入，控制器输出U乘以比例因子k₃后为减振器励磁线圈电流I。比例因子的大小对控制系统性能影响较大，不同激励下比例因子不同，根据响应最大值进行调试。输入输出空间模糊分割的个数均为7，分别为负大（NB）、负中（NM）、负小（NS）、零（ZE）、正小（PS）、正中（PM）和正大（PB），模糊分割数不可太细，否则需要确定的模糊规则太多，较难实现，同时，模糊分割数太少又将导致控制太粗略，难以对控制性能进行精心调整。目前，尚没有一个确定模糊分割数的指导性的方法和步骤，主要依靠经验和试凑。除了NB和PB的隶属函数为梯形外，其余隶属函数为等腰三角形，表示方便，计算简单，三角形的顶点相应于该随机数的均值，底边长度等于两倍随机数的标准差，论域为[-7, 7]，且模糊规则如表1所示，共 49条。清晰化方法采用加权平均法。

表1 模糊控制规则

/>

此外，需要注意的是，为了增加磁流变减振系统的普适性，本发明在a磁流变弹性体吸振器2、b磁流变弹性体吸振器3、c磁流变弹性体吸振器4、d磁流变弹性体吸振器5、e磁流变弹性体吸振器6、f磁流变弹性体吸振器7中振子11上设有配重螺纹孔17。当所述磁流变装置1用于机器人21不同加工末端时，可根据实际减振效果、加工末端结构特性等决定是否需要施加配重块以增大振子11重量，进一步吸收加工颤振能量。

材料选用方面，安装盘8所用材料为低碳钢，振子11所用材料为具有高磁导率、高磁饱和强度及低矫顽力的电磁纯铁，磁流变弹性体13由羰基铁粉、硅油、硅橡胶按一定比例混合固化而成，导磁座14所用材料为低碳钢，隔磁环15所用材料为铝合金，磁力座16所用材料为烧结钕铁硼强磁体，龙骨18与线圈套20所用材料均为不导磁且隔热的聚四氟乙烯，在保证隔磁的前提下，尽量减小热量对磁流变弹性体流变性能的影响。线圈19所用材料为铜漆包线。

基于上述实施例，本发明提出的减振系统充分考虑机器人21加工颤振时多个颤振频率共生的问题，通过分析外界颤振频率范围，可改变磁流变装置1中每个磁流变弹性体的尺寸，使得磁流变装置1工作带宽适应于不同颤振频率，最大限度吸收颤振能量。且所涉及磁流变弹性体吸振器底座设计为磁力座，振子设有配重螺纹孔，方便安装于不同末端执行器22上的同时可调整振子重量，进一步提高机器人21加工质量和稳定性并具备良好的普适性。

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做出各种变化。