專利名稱：用于機(jī)器人修磨系統(tǒng)的面向空間曲面加工的在位測量方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于砂帶磨削加工領(lǐng)域，特別涉及機(jī)器人修磨系統(tǒng)中面向高精度復(fù)雜曲面加工的在位測量方法。
背景技術(shù)：
在機(jī)械加工中，磨削應(yīng)用范圍廣范，在某些條件下往往只能采用磨削進(jìn)行加工，比如表面粗糙度要求高或硬質(zhì)材料等。磨削主要分為砂輪磨削和砂帶磨削。與砂輪磨削相比，砂帶磨削切削時的散熱性較好，被加工面不易燒傷，表面冷硬程度和殘余應(yīng)力較小。同時，由于砂帶和磨削接觸輪有一定的彈性，砂帶磨削更易于與加工面貼服，往往更適用于曲面加工。因此砂帶磨削和砂輪加工一樣，在機(jī)械加工領(lǐng)域中占有重要的地位。砂帶磨削在航空航天、國防、電力、船舶、醫(yī)療等多個領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用背景，例如，渦輪機(jī)、船舶推進(jìn)器、風(fēng)力發(fā)電機(jī)等設(shè)備的葉片的加工。在日用產(chǎn)品中加工中，應(yīng)用更是廣泛，例如，各種貴術(shù)裝飾品、人造關(guān)節(jié)、家庭裝飾用品(水暖件、燈具等)、樂器和數(shù)碼產(chǎn)品的外表面加工等。國內(nèi)外對于復(fù)雜曲面工件的砂帶磨削加工，主要有基于普通砂帶磨床的手工磨削、專用磨削機(jī)床和數(shù)控磨削機(jī)床等?；谄胀ㄉ皫ゴ驳氖止つハ髻M(fèi)時且勞動強(qiáng)度大，加工成品率低，產(chǎn)品一致性差，對工人的技藝、經(jīng)驗(yàn)等要求高；專用磨削機(jī)床通用性不好，適用范圍窄，往往只適合大批量生產(chǎn)；數(shù)控磨削機(jī)床成本高，缺乏柔性，可拓展范圍小。近年來，隨著工業(yè)機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展和勞動力成本的不斷上升，以機(jī)器人作為平臺的加工方式引起了關(guān)注。機(jī)器人修磨指以串聯(lián)式工業(yè)機(jī)器人作為工件移動平臺，在高速旋轉(zhuǎn)的砂帶上進(jìn)行磨削的加工方式。與市場上較為典型的五軸磨削加工機(jī)床相比，機(jī)器人修磨系統(tǒng)具有靈活性高、通用性強(qiáng)、易于擴(kuò)展等優(yōu)點(diǎn)，而且由于系統(tǒng)基于通用設(shè)備，造價和加工成本大大低于專用機(jī)床。機(jī)器人修磨系統(tǒng)一般包括如下幾個部分(1)砂帶機(jī)帶動砂帶做高速旋轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)對工件進(jìn)行磨削，實(shí)現(xiàn)砂帶轉(zhuǎn)速、砂帶張緊力、甚至磨削力等磨削參數(shù)的設(shè)置或控制；(2)機(jī)器人一般為串聯(lián)式工業(yè)機(jī)器人，腕部往往安裝六維力傳感器，用于作為工件的移動平臺，可以控制磨削工件與砂帶的接觸力及工件加工速度；(3)測量系統(tǒng)用于測量工件待加工面的形貌(比如曲率)和磨削量，測量系統(tǒng)可以是接觸式的，比如掃描探針，或者非接觸式的，比如激光掃描設(shè)備；(4)數(shù)據(jù)處理計(jì)算機(jī)對測量系統(tǒng)數(shù)據(jù)、機(jī)器人路徑數(shù)據(jù)、力反饋數(shù)據(jù)等進(jìn)行處理。目前，面向復(fù)雜曲面的機(jī)器人砂帶磨削系統(tǒng)多用于打磨或拋光等不需要準(zhǔn)確考慮磨削量的場合，需要精確考慮磨削量的機(jī)器人修磨系統(tǒng)仍處于實(shí)驗(yàn)室研究階段。在研究和試用中發(fā)現(xiàn)，由于砂帶和接觸輪帶有彈性，砂帶磨削是一種非剛性加工，不能簡單通過進(jìn)給量來實(shí)現(xiàn)磨削量的控制，磨削量受磨削力、砂帶轉(zhuǎn)速、工件速度、砂帶老化程度、工件材料、加工面表面形貌等多種因素影響，其中部分因素?zé)o法準(zhǔn)確測控，這使得磨削量的精確控制往往只能通過多次磨削來逼近。因此，每磨削一次之后，需要對工件進(jìn)行在位測量來決定下一次的磨削量。所以，在位測量的精度直接影響最后的加工能達(dá)到的精度。
部分已有的機(jī)器人修磨系統(tǒng)采用了在位測量技術(shù)，但是在位測量的過程中，往往直接通過機(jī)器人移動工件去完成整個加工面的測量。考慮到工業(yè)機(jī)器人的絕對精度往往大于1mm，重復(fù)精度一般也大于0. Imm;同時由于慣性力和工件重量等因素的影響，機(jī)器人在負(fù)載工件運(yùn)動時容易產(chǎn)生振顫；此外，機(jī)器人基坐標(biāo)系與測量坐標(biāo)系間存在標(biāo)定誤差，這些誤差影響因素都最終體現(xiàn)于在位測量結(jié)果中，使得在位測量的精度難以進(jìn)一步提高。為了提高工件坐標(biāo)系與機(jī)器人末端坐標(biāo)系間的映射精度，機(jī)器人末端必須使用高精度的專用夾具，這對機(jī)器人修磨系統(tǒng)的柔性會帶來影響。發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是針對上述現(xiàn)有技術(shù)存在的不足，提出一種用于機(jī)器人修磨系統(tǒng)的面向空間曲面加工的在位測量方法，可解決工業(yè)機(jī)器人運(yùn)動誤差、運(yùn)動振顫、標(biāo)定精度等對測量精度的影響，同時該方法不需要使用高精度專用夾具，采用多次修磨逼近的方法，可使整個機(jī)器人修磨系統(tǒng)達(dá)到更高的加工精度。
該方法的特征在于當(dāng)機(jī)器人移動工件至測量工位后，在整個測量過程中，機(jī)器人停止不動，保持工件位姿不變，通過測量平臺的運(yùn)動來完成不同檢測點(diǎn)的測量。為了便于與設(shè)計(jì)的標(biāo)準(zhǔn)模型做比較求取磨削量，也為了建立工件坐標(biāo)系與機(jī)器人末端坐標(biāo)系的映射關(guān)系，在工件修磨前需要加工三個不在同一平面的基準(zhǔn)平面。該方法的技術(shù)方案可用通過以下步驟實(shí)現(xiàn)
1)首先結(jié)合設(shè)計(jì)要求設(shè)定或加工出兩兩不同向的三個基準(zhǔn)平面，然后把待加工的工件固定于機(jī)器人末端夾具上，并使該工件在整個加工、測量中在機(jī)器人末端夾具上的位置不變；
2)對工件進(jìn)行一次加工，本次加工完成后，機(jī)器人移動工件至測量工位；
3)在測量工位上對工件的加工曲面進(jìn)行測量，在一個完整的測量過程中機(jī)器人保持不動，通過測量系統(tǒng)的運(yùn)動完成工件的測量；主要步驟如下
i)測量系統(tǒng)通過移動非接觸式或接觸式測量探頭，對三個基準(zhǔn)平面和整個待加工曲面進(jìn)行測量，得到測量坐標(biāo)系{M}中的點(diǎn)云數(shù)據(jù)；
ii)對點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，得到三個基準(zhǔn)平面的方程，并進(jìn)一步求出三個基準(zhǔn)平面的相交點(diǎn)，及三條相交直線，以相交點(diǎn)為原點(diǎn)、三條相交線為坐標(biāo)軸建立仿射坐標(biāo)系{W}作為工件坐標(biāo)系，求出測量坐標(biāo)系{M}與工件坐標(biāo)系{W}的映射關(guān)系MWT;
iii)通過映射關(guān)系MWT把測量坐標(biāo)系{M}中的點(diǎn)云數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為工件坐標(biāo)系{W}中的數(shù)據(jù)，并與工件的加工目標(biāo)尺寸做比較，得到工件曲面上待加工點(diǎn)的磨削量；
iv)規(guī)劃磨削路徑，計(jì)算磨削點(diǎn)曲率；
ν)計(jì)算工件坐標(biāo)系{W}與機(jī)器人末端坐標(biāo)系In}的映射關(guān)系
；T =J1T·.···；T·.···1OT^TCT
其中，=T為測量坐標(biāo)系至機(jī)器人基坐標(biāo)系的映射關(guān)系；尸為機(jī)器人桿件j坐標(biāo)系至桿件i坐標(biāo)系的映射關(guān)系，1彡i彡n、0彡j彡Π-1 ；
4)根據(jù)測量結(jié)果判斷工件是否滿足設(shè)計(jì)要求的加工精度，若工件合格，則結(jié)束加工過程；否則機(jī)器人把工件移動至加工工位，轉(zhuǎn)步驟幻進(jìn)行下一次加工。
本發(fā)明的主要特點(diǎn)在于，該方法的磨削量測量精度只和測量系統(tǒng)精度相關(guān)，與機(jī)器人運(yùn)動誤差、工件夾具和測量坐標(biāo)系至機(jī)器人基坐標(biāo)系的標(biāo)定誤差無關(guān)，這樣可以顯著提高測量精度。目前，接觸式的或非接觸式的三維坐標(biāo)測量機(jī)(CMM)的精度一般可到微米級，甚至更高?；谌S坐標(biāo)測量機(jī)應(yīng)用該方法進(jìn)行在位測量，磨削量的測量精度可達(dá)十幾微米，甚至幾微米。從整個修磨系統(tǒng)的角度，機(jī)器人運(yùn)動精度、測量坐標(biāo)系至機(jī)器人基坐標(biāo)系的標(biāo)定誤差和磨削坐標(biāo)系至機(jī)器人基坐標(biāo)系的標(biāo)定誤差只和修磨加工路徑控制相關(guān)?？紤]到，系統(tǒng)可采用多次逼近的修磨方法，同時曲面加工精度往往更側(cè)重于加工點(diǎn)法向去除量，所以采用該在位測量方法可使機(jī)器人修磨系統(tǒng)的修磨精度提高一個數(shù)量級(由幾百微米提高至幾十微米)以上。


圖1為采用本發(fā)明方法的與夾具聯(lián)接的待加工葉片示意圖。
具體實(shí)施方式
結(jié)合附圖和具體實(shí)施方式
，以渦輪機(jī)葉片為例，通過與已有方法的對照，對本發(fā)明提出的方法作進(jìn)一步詳細(xì)說明。
本發(fā)明方法采用的機(jī)器人砂帶修磨系統(tǒng)中，用多自由度三坐標(biāo)測量機(jī)代替了固定的接觸式或非接觸式檢測頭，在一次完整的工件測量中，工件保持不動，通過坐標(biāo)測量機(jī)的檢測頭移動完成測量。機(jī)器人磨削系統(tǒng)可分成三大部分1)砂帶磨削系統(tǒng)，由砂帶磨削機(jī)、 砂帶磨削機(jī)控制器組成；幻機(jī)器人系統(tǒng)，一般由串聯(lián)式工業(yè)機(jī)器人、機(jī)器人控制器及其相關(guān)傳感器(比如力傳感器等)組成；幻測量系統(tǒng)，由三維坐標(biāo)測量機(jī)及數(shù)據(jù)處理計(jì)算機(jī)組成，數(shù)據(jù)處理計(jì)算機(jī)還和磨削機(jī)控制器、機(jī)器人控制器進(jìn)行通信。待磨削工件通過夾具與機(jī)器人的末端連接。
本發(fā)明方法中，設(shè)，與磨削機(jī)底座固連的坐標(biāo)系為工具坐標(biāo)系{T}，與坐標(biāo)測量機(jī)底座固連的坐標(biāo)系為測量坐標(biāo)系{M}，而機(jī)器人由η個桿件構(gòu)成(η為正整數(shù))，其基坐標(biāo)系為{0}，桿件的坐標(biāo)系為{1}，以此類推，機(jī)器人末端坐標(biāo)系為In}。
本發(fā)明提出了一種在位測量方法，其特征及實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵就在于選擇可測量的三個平面作為基準(zhǔn)建立工具坐標(biāo)系，直接建立測量空間坐標(biāo)系與工件坐標(biāo)系的映射關(guān)系，使待加工曲面的磨削量的測量不受=T、^1T …·#和wnT的影響。而在位測量系統(tǒng)的精度決定了機(jī)器人修磨系統(tǒng)可能達(dá)到的加工精度。
下面，結(jié)合圖1說明工件坐標(biāo)系基準(zhǔn)平面的選擇、工件坐標(biāo)系建立方法和工件坐標(biāo)系與測量坐標(biāo)系映射關(guān)系的建立方法。
圖1為一個實(shí)際的渦輪機(jī)葉片。為保持流體具有均勻的軸向速度、確保流場穩(wěn)定、 減少流體能量損失，渦輪機(jī)葉片從葉根到葉尖，扭角是變化的，從而造成葉片型面是一個不規(guī)則的空間曲面。在圖1中，4為待加工的不規(guī)則復(fù)雜曲面。修磨中，待磨曲面需要和加工目標(biāo)尺寸作比較，以求得磨削量；同時，需要描述工件與機(jī)器人末端坐標(biāo)的映射關(guān)系，用于機(jī)器人修磨路徑規(guī)劃，所以需要定義工件坐標(biāo)系{W}。
本發(fā)明對上述渦輪機(jī)葉片采用的方法是1)在修磨前，根據(jù)設(shè)計(jì)需要并結(jié)合后階段加工工藝，設(shè)定工件上三個不在同一平面的平面1、2和3為基準(zhǔn)平面(盡可能選擇相互垂直或接近垂直的平面)，對于圖1所示工件，可選擇待加工的葉片4根部榫頭上的平面1、2和3為基準(zhǔn)平面；然后把待加工的工件固定于機(jī)器人末端夾具上，并使該工件在整個加工、測量中在機(jī)器人末端夾具上的位置不變；2)對工件進(jìn)行一次加工，本次加工完成后，，機(jī)器人將葉片工件移動至測量工位；3)在測量工位上對工件的加工曲面進(jìn)行測量，在一個完整的測量過程中機(jī)器人保持不動，通過測量系統(tǒng)的運(yùn)動完成工件的測量；測量過程如下i)用三坐標(biāo)測量機(jī)對三個基準(zhǔn)平面和整個待加工的葉片曲面進(jìn)行測量，獲得測量坐標(biāo)系{M}中該葉片的點(diǎn)云數(shù)據(jù)；ii)通過最小二乘擬合等方法對點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，求取平面1、2和3的解析式， 進(jìn)一步可求取這三個平面的交線owxw、owYw和0WZW。以點(diǎn)Ow為原點(diǎn)、三條相交線owxw、owYw和 OwZw為坐標(biāo)軸，建立工件坐標(biāo)系{W}。{W}為一個仿射坐標(biāo)系，{W}中的任意一點(diǎn)Pw都可以由一個仿射坐#w(xP，yP，Zp)唯一確定，并且滿足式
」w
xWuWXv 1WuWZwuWxO,Vx yxW"^ow^Yw"^owZ iW"^owZx xW~Zow1W"zOwzZ 厶W~ZowzO10001 OwPw = Xp · OwXw + 辦· OwYw + Zp · OwZ,
一般地，可取0WXW、OffYff和OwZw的長度為1，則在坐標(biāo)系{W}中點(diǎn)0W、Xw、Yff和Zw的坐標(biāo)為(0，0，0)、(1,0,0), (0,1,0)和(0，0，1)。設(shè) 0W、Xw、Yw 和 Zw 在測量坐標(biāo)系{M}中的坐標(biāo)分別為M(x。w，_y。w，z。w)、M(xXw’w)、M(xYw,_yYw，zYw;^nM(xZw，_yZw，zZw)，則從工件坐標(biāo)系{W}到測量坐標(biāo)系的映射矩陣為 WT iii)取仿射坐標(biāo)系{W}為工件標(biāo)準(zhǔn)幾何模型的參考坐標(biāo)系，假設(shè)工件上任意一點(diǎn) P經(jīng)過測量后得到坐標(biāo)為MP，則可以通過映射wP = (^rT)-1.mP轉(zhuǎn)化為工件坐標(biāo)系{W}中的坐標(biāo)，通過和加工目標(biāo)尺寸比較后，便可求得磨削量。 從實(shí)際系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)結(jié)果來看，本發(fā)明所提出方法相比于已有系統(tǒng)可提高修磨精度一個數(shù)量級，甚至更高。iv)規(guī)劃磨削路徑，并計(jì)算磨削點(diǎn)曲率；ν)利用已知的機(jī)器人動力學(xué)模型和ii)中求得的=T，求取工件坐標(biāo)系{W}與機(jī)器人末端坐標(biāo)系In}的映射關(guān)系；T =J1T·.···；T·.···1OT^TCT其中，^T為測量坐標(biāo)系至機(jī)器人基坐標(biāo)系的映射關(guān)系；為機(jī)器人桿件j坐標(biāo)系至桿件i坐標(biāo)系的映射關(guān)系，1彡i彡n、0彡j彡n-14)根據(jù)測量結(jié)果判斷工件是否滿足設(shè)計(jì)要求的加工精度，若工件合格，則結(jié)束加工過程；否則機(jī)器人把工件移動至加工工位，轉(zhuǎn)步驟幻進(jìn)行下一次加工。
權(quán)利要求
1. 一種用于機(jī)器人修磨系統(tǒng)的面向空間曲面加工的在位測量方法，其特征在于包括以下步驟1)首先結(jié)合設(shè)計(jì)要求設(shè)定或加工出兩兩不同向的三個基準(zhǔn)平面，然后把待加工的工件固定于機(jī)器人末端夾具上，并使該工件在整個加工、測量中在機(jī)器人末端夾具上的位置不變；2)對工件進(jìn)行一次加工，本次加工完成后，機(jī)器人移動工件至測量工位；3)在測量工位上對工件的加工曲面進(jìn)行測量，在一個完整的測量過程中機(jī)器人保持不動，通過測量系統(tǒng)的運(yùn)動完成工件的測量；主要步驟如下i)測量系統(tǒng)通過移動非接觸式或接觸式測量探頭，對三個基準(zhǔn)平面和整個待加工曲面進(jìn)行測量，得到測量坐標(biāo)系{M}中的點(diǎn)云數(shù)據(jù)； )對點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，得到三個基準(zhǔn)平面的方程，并進(jìn)一步求出三個基準(zhǔn)平面的相交點(diǎn)，及三條相交直線，以相交點(diǎn)為原點(diǎn)、三條相交線為坐標(biāo)軸建立仿射坐標(biāo)系{W}作為工件坐標(biāo)系，求出測量坐標(biāo)系{M}與工件坐標(biāo)系{W}的映射關(guān)系MWT;iii)通過映射關(guān)系MWT把測量坐標(biāo)系{M}中的點(diǎn)云數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為工件坐標(biāo)系{W}中的數(shù)據(jù)，并與工件的加工目標(biāo)尺寸做比較，得到工件曲面上待加工點(diǎn)的磨削量；iv)規(guī)劃磨削路徑，計(jì)算磨削點(diǎn)曲率；ν)計(jì)算工件坐標(biāo)系{W}與機(jī)器人末端坐標(biāo)系In}的映射關(guān)系η τ" η τ"i τ"1 τ 0 τ M τ■ = ■····· ■····· I · I · IWa η-1 α；· αOiMiWi其中，=τ為測量坐標(biāo)系至機(jī)器人基坐標(biāo)系的映射關(guān)系；yr為機(jī)器人桿件j坐標(biāo)系至桿件i坐標(biāo)系的映射關(guān)系，1彡i彡n、0彡j彡Π-1 ；4)根據(jù)測量結(jié)果判斷工件是否滿足設(shè)計(jì)要求的加工精度，若工件合格，則結(jié)束加工過程；否則機(jī)器人把工件移動至加工工位，轉(zhuǎn)步驟2~)進(jìn)行下一次加工。
全文摘要
本發(fā)明提供一種機(jī)器人修磨系統(tǒng)中面向高精度復(fù)雜曲面加工的在位測量方法，屬于砂帶磨削加工領(lǐng)域，該方法的主要步驟包括選擇和加工三個基準(zhǔn)平面、測量系統(tǒng)在工件不動的條件下完成工件的測量、求取測量坐標(biāo)系與工件坐標(biāo)系的映射關(guān)系、求取磨削量和曲率、求取工件坐標(biāo)系至機(jī)器人末端坐標(biāo)系的映射關(guān)系、機(jī)器人運(yùn)動路徑規(guī)劃、控制磨削參數(shù)完成磨削。本發(fā)明可用于解決已有系統(tǒng)中在位測量精度難以提高的問題，同時降低對夾具精度的要求，提高現(xiàn)有機(jī)器人修磨系統(tǒng)的精度。
文檔編號B24B49/04GK102501172SQ20111037359
公開日2012年6月20日 申請日期2011年11月22日 優(yōu)先權(quán)日2011年11月22日
發(fā)明者呂洪波, 孫曉民, 宋亦旭 申請人:清華大學(xué)