[发明专利]一种面向刚度的机器人加工位姿优化方法

说明书

本发明提供一种面向刚度的机器人加工位姿优化方法，解决现有机器人存在刚性差和奇异形位，从而影响零件加工质量和加工精度的问题。首先探究机器人空间运动性能，引入基于雅克比矩阵条件数的机器人灵活性能度量指标对机器人运动性能进行定量分析，接着在机器人刚度模型基础上构建机器人末端整体刚度性能指标表征其本体末端刚度，考虑加工刀具轴，进行刚度空间转换研究，结合加工的工艺特点，提出综合刚度评价系数；然后同时考虑机器人灵活性和刚度，获取机器人本体运动和刚度性能综合较优的工作空间；随后构建考虑加工位姿与刚度增强的机器人姿态优化模型，以实现连续加工过程中考虑姿态平滑的机器人末端刚度增强。

技术领域

本发明属于机器人控制技术领域，具体涉及一种面向刚度的机器人加工位姿优化方法。

背景技术

工业机器人具有工作覆盖空间大、可扩展性强、灵活性强、生产效率高的优势，并且成本极具竞争力。国际上一些公司已经实现了机器人磨削系统平台的产业化，成功在一些领域得到有效性验证。然而工业机器人在实际加工过程中仍存在两方面的问题：

一、工业机器人的刚度远低于机床的刚度，呈现典型的弱刚性。一般来说，6自由度工业机器人的刚度通常小于1N/μm，而数控机床的刚度通常大于50N/μm。当机器人进行连续路径磨削加工时，总是会有加工过程中产生的磨削力作用在末端执行器上，末端负载会使机器人关节发生变形，并且在末端执行器处产生位置偏差，从而影响工件的加工精度。

二、作为空间串联机构，机器人在其运动空间内存在奇异形位。在奇异点处，机器人关节速度易产生突变，进而末端速度与运动控制精度会降低甚至失控，难以准确保证末端位置，因此同样会产生位置偏移，降低加工精度。

针对上述问题，现有关于机器人位姿优化的研究，主要在加工中的运动性能和刚度性能这两方面展开。国内外学者已经提出了多种评价指标来定量表征机器人运动性能和刚度性能，并根据这些指标对机器人位姿进行优化。

但是目前的研究仍存在一些问题：均聚焦在钻孔和铣削领域，极少涉及磨削加工应用；大多数位姿优化方法并没有做到同时考虑机器人运动性能和刚度两种因素；现有的刚度性能指标由钻孔、铣削等加工任务特点提出，多为单方向(如轴向，切向)指标，没有根据磨削特征提出的刚度指标；而且钻孔只是单点加工，铣削(多为平面)较短的刀路认为刚度恒定，位姿优化算法单一，均没有考虑加工过程的连续性，但磨削是连续加工，保证加工刚度性能最佳的同时要考虑机器人加工姿态的平滑。

因此，有必要针对磨削工艺特征，对机器人的加工位姿进行优化，及时调整位姿，避免出现上述问题。

发明内容

本发明的目的在于解决现有机器人存在刚性差和奇异形位，从而影响零件加工质量和加工精度的不足之处，而提供一种面向刚度的机器人加工位姿优化方法，即一种以机器人刚度为分析指标和评价对象从而调整机器人加工位姿，以实现零件加工质量提高的方法。

为实现上述目的，本发明所提供的技术解决方案是：

一种面向刚度的机器人加工位姿优化方法，其特征在于，具体步骤如下：

1)进行机器人运动学建模，并获得机器人灵活性能度量指标

1.1)采用标准DH建模法进行机器人正逆运动学建模；结合机器人型号建立机器人DH连杆坐标系和DH模型连杆参数，描述了关节空间与笛卡尔空间的运动映射关系；

1.2)基于步骤1.1)建立的模型，采用微分变换法求解描述两空间(即关节空间与笛卡尔空间)运动速度传递关系的雅克比矩阵J(q)，再通过雅克比矩阵条件数的倒数量化任意点到机器人奇异形位的距离，得到灵活性能度量指标DI(Dexterity Index)，公式为：