本發(fā)明屬于機(jī)器人加工應(yīng)用技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種工業(yè)機(jī)器人曲面切削力控制技術(shù),特別是一種針對(duì)機(jī)器人形變問(wèn)題的機(jī)器人曲面切削力控制方法。

背景技術(shù)：

作為機(jī)械加工的主要手段之一，切削加工在制造業(yè)中受到廣泛應(yīng)用。目前機(jī)器人切削加工實(shí)現(xiàn)方法主要包括兩種：進(jìn)行大量的切削實(shí)驗(yàn)，利用回歸分析求取特定材料的機(jī)器人切削模型；對(duì)機(jī)器人末端進(jìn)行力控制，在保證機(jī)器人末端與工件接觸的情況下，控制切削工具的位置以及工具和工件之間的接觸力。

1、通過(guò)回歸分析求取機(jī)器人切削模型，該方法的實(shí)現(xiàn)需要大量的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，且該方法求取的切削模型只能針對(duì)指定的材料，無(wú)法應(yīng)用到其他材料上，缺乏通用性。

2、對(duì)機(jī)器人末端進(jìn)行接觸力控制。該方法主要可分為帶傳感器和不帶傳感器兩種。不帶傳感器的力控制方法主要是依靠對(duì)機(jī)器人電機(jī)數(shù)據(jù)進(jìn)行讀取，通過(guò)電機(jī)數(shù)據(jù)對(duì)機(jī)器人末端位置進(jìn)行判斷。這種方法成本低，但未考慮機(jī)器人本身形變以及工件裝配誤差等問(wèn)題，加工精度低；帶傳感器的力控制方法主要是依靠傳感器的數(shù)據(jù)反饋判斷機(jī)器人末端的力位情況，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)的力位控制。目前的力控制方法主要考慮力位問(wèn)題，沒(méi)有考慮曲面切削進(jìn)給速度對(duì)系統(tǒng)形變的影響。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

為實(shí)現(xiàn)工業(yè)機(jī)器人在曲面切削加工的普及，本發(fā)明提供一種針對(duì)機(jī)器人形變問(wèn)題的機(jī)器人曲面切削力控制方法，該方法根據(jù)直角坐標(biāo)機(jī)器人曲面切削特點(diǎn)，將切削過(guò)程分為剛性沖擊狀態(tài)和穩(wěn)定切削狀態(tài)，并考慮切削過(guò)程中進(jìn)給速度對(duì)切削形變乃至加工精度的影響，在傳統(tǒng)PID控制模型的基礎(chǔ)上引入了模糊控制策略，通過(guò)調(diào)整切削進(jìn)給速度實(shí)現(xiàn)機(jī)器人切削力的自適應(yīng)控制，解決了現(xiàn)有工業(yè)機(jī)器人在曲面切削中存在的上述問(wèn)題。

本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是，一種針對(duì)機(jī)器人形變問(wèn)題的機(jī)器人曲面切削力控制方法，該方法首先是根據(jù)直角坐標(biāo)機(jī)器人切削系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，建立機(jī)器人剛度矩陣，隨后針對(duì)機(jī)器人切削的復(fù)雜性，將切削過(guò)程分為剛性沖擊狀態(tài)和穩(wěn)定切削狀態(tài)，并推導(dǎo)出機(jī)器人沖擊振幅公式和穩(wěn)定切削形變公式；以切削力作為控制目標(biāo)，將六維力傳感器測(cè)量機(jī)器人末端受力并與目標(biāo)力作對(duì)比，計(jì)算出實(shí)時(shí)切削力誤差和誤差變化速度，將其作為控制輸入，PID參數(shù)作為模糊推理輸出，進(jìn)給速度作為PID控制輸出，進(jìn)行模糊化處理，建立模糊規(guī)則對(duì)切削狀態(tài)進(jìn)行分類(lèi)判斷，通過(guò)力傳感器實(shí)時(shí)測(cè)試末端受力判斷切削力偏離情況選擇適當(dāng)?shù)腜ID參數(shù)，實(shí)時(shí)調(diào)整PID控制模型，通過(guò)調(diào)節(jié)機(jī)器人切削進(jìn)給速度實(shí)現(xiàn)切削力控制。

本發(fā)明所述的針對(duì)機(jī)器人形變問(wèn)題的機(jī)器人曲面切削力控制方法，其特征還在于，

該方法包括以下步驟：

步驟1，根據(jù)機(jī)器人切削系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，建立剛度模型系統(tǒng)，所述剛度模型系統(tǒng)其主要包括三軸直角坐標(biāo)機(jī)器人K_g、切削工具支架等效剛度K_j、工件剛度K_o、六維力傳感器剛度K_c、兩軸旋轉(zhuǎn)工作平臺(tái)K_x；

K^-1＝K_g^-1+K_j^-1+K_o^-1+K_c^-1+K_x^-1

從而得到末端切削力F_p和機(jī)器人形變?chǔ)?sub>t的關(guān)系公式；

σ_t＝F_pK^-1

步驟2，驅(qū)使機(jī)器人帶動(dòng)切削刀具切入工件對(duì)工件進(jìn)行切削，測(cè)量刀具切入工件瞬間的沖擊力F_cp和隨后的穩(wěn)定切削力，結(jié)合過(guò)切削角度，計(jì)算出工件表面法向的沖擊形變A_c和穩(wěn)定切削形變?chǔ)?sub>t；其中沖擊形變利用公式：

其中初始位置X_c設(shè)為0，則有

A_c＝V_wω_d^-1

A＝A_c+A_z

其中ω_d為固有頻率；A_z為刀具離心力引起的形變；A為總體形變；由于刀具旋轉(zhuǎn)速度固定，離心力可以看作是常量，因此主要變化的是沖擊產(chǎn)生的形變A_c；穩(wěn)定狀態(tài)形變?chǔ)?sub>t則利用公式求取，并推導(dǎo)出形變與進(jìn)給速度V_w之間的關(guān)系：

σ_t＝F_pK^-1＝∫(V_w(t)-V_e(t))dt

其中V_e(t)為材料去除速度；

步驟3，根據(jù)步驟2中推導(dǎo)出的形變與進(jìn)給速度關(guān)系式，以誤差和誤差速度作為控制輸入，以切削進(jìn)給速度作為控制量，建立PID切削力控制模型；

步驟4，利用步驟2得到的實(shí)驗(yàn)初步數(shù)據(jù)建立模糊控制規(guī)則，將切削力誤差和誤差速度變化為輸入，以PID中的比例系數(shù)T_p、積分系數(shù)T_i，微分系數(shù)T_d作為控制輸出，進(jìn)行模糊度分類(lèi)：{NB,NS,Z,PS,PB}；對(duì)于控制量T_p模糊推理采用多前提多規(guī)則，即

IF A1and B1Then C1

IF A1and B2Then C2

而對(duì)于控制量T_i、T_d則采用單前提單規(guī)則

IF A1Then C1

模糊隸屬函數(shù)采用高斯函數(shù)，計(jì)算出隸屬度后，采用最大隸屬度進(jìn)行解模糊；

步驟5，根據(jù)形變約束，結(jié)合機(jī)器人切削系統(tǒng)剛度計(jì)算出曲面工件軌跡上各點(diǎn)的切削力允許值，作為控制目標(biāo)，驅(qū)動(dòng)機(jī)器人帶動(dòng)六維傳感器和末端刀具切入工件進(jìn)行切削，將六維傳感器測(cè)量得到的末端受力與切削力控制目標(biāo)進(jìn)行對(duì)比，利用模糊控制規(guī)則判斷系統(tǒng)實(shí)時(shí)狀態(tài)，選擇PID控制參數(shù)對(duì)切削進(jìn)行速度進(jìn)行控制，從而調(diào)整沖擊形變和穩(wěn)定切削形變大小，最終實(shí)現(xiàn)切削力的自適應(yīng)實(shí)時(shí)控制。

本發(fā)明針對(duì)機(jī)器人形變問(wèn)題的機(jī)器人曲面切削力控制方法，根據(jù)直角坐標(biāo)機(jī)器人曲面切削特點(diǎn)，將切削過(guò)程分為剛性沖擊狀態(tài)和穩(wěn)定切削狀態(tài)，充分考慮了切削過(guò)程中進(jìn)給速度對(duì)切削形變乃至加工精度的影響，在傳統(tǒng)PID控制模型的基礎(chǔ)上引入了模糊控制策略，建立了基于速度的切削模型，并在PID控制模型的基礎(chǔ)上，引入了模糊控制規(guī)則，根據(jù)機(jī)器人末端力傳感器的反饋信息，選擇適合的PID參數(shù)，通過(guò)調(diào)整切削進(jìn)給速度實(shí)現(xiàn)機(jī)器人切削力的自適應(yīng)控制。

附圖說(shuō)明

圖1是本發(fā)明針對(duì)機(jī)器人形變問(wèn)題的機(jī)器人曲面切削力控制方法工作原理圖；

圖2是本發(fā)明機(jī)器人曲面切削力控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖；

圖3是本發(fā)明基于模糊PID的機(jī)器人切削力控制流程圖；

圖4是本發(fā)明基于模糊PID的機(jī)器人切削力控制器結(jié)構(gòu)示意圖。

圖中，1.工作臺(tái)架，2.三軸直角坐標(biāo)機(jī)器人，3.伺服驅(qū)動(dòng)器，4.六維力傳感器，5.磨削刀具，6.曲面工件，7.兩軸旋轉(zhuǎn)平臺(tái)；

2-1.X軸導(dǎo)向單元；2-2.Y軸導(dǎo)向單元；2-3.Z軸導(dǎo)向單元，7-1.A軸旋轉(zhuǎn)平臺(tái)；7-2.B軸旋轉(zhuǎn)平臺(tái)。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施方式對(duì)本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明。

本發(fā)明針對(duì)機(jī)器人形變問(wèn)題的機(jī)器人曲面切削力控制方法，如圖1所示，該方法首先是根據(jù)直角坐標(biāo)機(jī)器人切削系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，建立機(jī)器人剛度矩陣，隨后針對(duì)機(jī)器人切削的復(fù)雜性，將切削過(guò)程分為剛性沖擊狀態(tài)和穩(wěn)定切削狀態(tài)，并推導(dǎo)出機(jī)器人沖擊振幅公式和穩(wěn)定切削形變公式；以切削力作為控制目標(biāo)，將六維力傳感器測(cè)量機(jī)器人末端受力并與目標(biāo)力作對(duì)比，計(jì)算出實(shí)時(shí)切削力誤差和誤差變化速度，將其作為控制輸入，PID參數(shù)作為模糊推理輸出，進(jìn)給速度作為PID控制輸出，進(jìn)行模糊化處理，建立模糊規(guī)則對(duì)切削狀態(tài)進(jìn)行分類(lèi)判斷，通過(guò)力傳感器實(shí)時(shí)測(cè)試末端受力判斷切削力偏離情況選擇適當(dāng)?shù)腜ID參數(shù)，實(shí)時(shí)調(diào)整PID控制模型，通過(guò)調(diào)節(jié)機(jī)器人切削進(jìn)給速度實(shí)現(xiàn)切削力控制。

本發(fā)明機(jī)器人曲面切削力控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，如圖2所示，包括工作臺(tái)架1、三軸直角坐標(biāo)機(jī)器人的導(dǎo)向單元2、驅(qū)動(dòng)單元3，六維力傳感器測(cè)量單元4、磨削刀具5、曲面工件6、兩軸旋轉(zhuǎn)工作平臺(tái)7以及形變計(jì)算模塊和插補(bǔ)點(diǎn)優(yōu)化調(diào)整模塊；導(dǎo)向單元2設(shè)置在工作臺(tái)架1上并受驅(qū)動(dòng)單元3的驅(qū)動(dòng)，六維力傳感器測(cè)量單元4、磨削刀具5依次安裝在三軸直角坐標(biāo)機(jī)器人導(dǎo)向單元2的末端，曲面工件6被安裝在兩軸旋轉(zhuǎn)工作平臺(tái)7上。

本發(fā)明的導(dǎo)向單元2包括X軸導(dǎo)向單元2-1、Y軸導(dǎo)向單元2-2、Z軸導(dǎo)向單元2-3，各軸導(dǎo)向單元均包括滾珠絲杠和滑塊；驅(qū)動(dòng)單元3包括帶傳動(dòng)裝置、減速器及交流伺服電機(jī)；X軸導(dǎo)向單元2-1水平安裝在工作臺(tái)架1上，Y軸導(dǎo)向單元2-2的其中一端安裝在X軸導(dǎo)向單元2-1的滑塊上；Z軸導(dǎo)向單元2-3豎直安裝在Y軸導(dǎo)向單元2-2的滑塊上；六維力傳感器測(cè)量單元4及磨削刀具5依次以串聯(lián)方式安裝在Z軸直線導(dǎo)軌2-3的滑塊上；曲面工件6安裝在兩軸旋轉(zhuǎn)平臺(tái)7上，其中A軸旋轉(zhuǎn)平臺(tái)軸線Y軸導(dǎo)向單元2-2直線導(dǎo)軌平行，B軸旋轉(zhuǎn)平臺(tái)軸線與Z軸導(dǎo)向單元2-3直線導(dǎo)軌平行。

本發(fā)明針對(duì)機(jī)器人形變問(wèn)題的機(jī)器人曲面切削力控制方法具體步驟如下：

步驟1，先根據(jù)器人磨削系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，建立包括三軸直角坐標(biāo)機(jī)器人1的導(dǎo)向單元2、六維力傳感器測(cè)量單元4、磨削刀具5、曲面工件6、兩軸旋轉(zhuǎn)工作平臺(tái)7的機(jī)器人磨削系統(tǒng)剛度矩陣。

步驟2，驅(qū)使機(jī)器人帶動(dòng)磨削刀具切入工件對(duì)曲面工件進(jìn)行切削，測(cè)量磨削刀具切入曲面工件瞬間的沖擊力F_cp和隨后的穩(wěn)定切削力，結(jié)合過(guò)切削角度，計(jì)算出曲面工件表面法向的沖擊形變A_c和穩(wěn)定切削形變?chǔ)?sub>t，并推導(dǎo)出形變與進(jìn)給速度V_w之間的關(guān)系。

步驟3，根據(jù)步驟2中推導(dǎo)出的形變與進(jìn)給速度關(guān)系式，以誤差和誤差速度作為控制輸入，以切削進(jìn)給速度作為控制量，建立PID切削力控制模型。

步驟4,在傳統(tǒng)PID控制模型的基礎(chǔ)上，引進(jìn)模糊規(guī)則，針對(duì)機(jī)器人切削復(fù)雜性，對(duì)切削狀態(tài)的沖擊狀態(tài)和穩(wěn)定切削狀態(tài)進(jìn)行模糊控制，用步驟2得到的實(shí)驗(yàn)初步數(shù)據(jù)建立模糊控制規(guī)則，將切削力誤差和誤差速度變化為輸入，以PID中的比例系數(shù)T_p；積分系數(shù)T_i；微分系數(shù)T_d作為控制輸出，進(jìn)行模糊度分類(lèi)：{NB,NS,Z,PS,PB}；對(duì)于控制量T_p模糊推理采用多前提多規(guī)則；對(duì)于控制量T_i、T_d則采用單前提單規(guī)則；模糊隸屬函數(shù)采用高斯函數(shù)，計(jì)算出隸屬度后，采用最大隸屬度進(jìn)行解模糊，控制過(guò)程如圖3、圖4所示。

步驟5,根據(jù)形變約束，結(jié)合機(jī)器人切削系統(tǒng)剛度計(jì)算出曲面工件軌跡上各點(diǎn)的切削力允許值，作為控制目標(biāo)，驅(qū)動(dòng)機(jī)器人帶動(dòng)六維傳感器和末端刀具切入工件進(jìn)行切削，將六維傳感器測(cè)量得到的末端受力與切削力控制目標(biāo)進(jìn)行對(duì)比，利用模糊控制規(guī)則判斷系統(tǒng)實(shí)時(shí)狀態(tài)，選擇PID控制參數(shù)對(duì)切削進(jìn)行速度進(jìn)行控制，從而調(diào)整沖擊形變和穩(wěn)定切削形變大小，最終實(shí)現(xiàn)切削力的自適應(yīng)實(shí)時(shí)控制。

上述實(shí)施例為本方面較佳的實(shí)施方式，但本方明的實(shí)施方式并不受上述實(shí)施例的限制，其他的任何背離本發(fā)明的精神實(shí)質(zhì)與原理下所作的改變、修飾、替代、組合、簡(jiǎn)化，均應(yīng)為等效的置換方式，都包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。