切削加工机器人静态误差补偿与动刚度模型的修正方法技术

本发明专利技术公开切削加工机器人静态误差补偿与动刚度模型的修正方法，涉及机器人加工技术领域，采用方案包括：根据机器人本体参数的描述文件对机器人进行运动学标定，辨识机器人结构参数，进行静态误差的补偿，同时记录标定过程的测量及计算数据；建立机器人整机动刚度模型，通过模态分析实验辨识模态参数并记录模态实验数据；检测机器人位姿精度与动刚度模型是否满足机器人末端定位精度要求：a)若不满足精度要求，对机器人不同位姿下的受力情况进行运动学标定，并计算标定程中因机器人自重造成的弹性变形误差，修正标定过程中的静态误差补偿和机器人整机动刚度模型；b)若满足精度要求，则完成静态误差补偿和机器人动刚度模型的修正。

Static error compensation and dynamic stiffness model correction method of cutting robot

【技术实现步骤摘要】
切削加工机器人静态误差补偿与动刚度模型的修正方法
本专利技术涉及切削加工机器人，具体的说是一种切削加工机器人静态误差补偿与动刚度模型的修正方法。
技术介绍
工业机器人技术的进步和应用是推动我国智能制造发展的重要手段和关键环节。工业机器人柔性高、成本低、工作空间大、位姿控制灵活，将其应用于切削加工，能够适应多品种、小批量、现场加工的现代生产模式要求，显著降低生产成本，提高设备和加工空间的利用率，有效提升技术创新速度和企业竞争力。但由于工业机器人存在重复定位精度低、刚度差、误差分析控制繁琐等问题，极大限制了机器人在切削加工领域的应用。如何对切削加工机器人的误差进行有效的分析，提高加工精度，是推动机器人切削加工应用的关键问题。机器人切削加工过程的误差主要包括静态误差和动态误差。对于静态误差，可通过运动学标定方法建立静态误差模型并进行误差补偿，但由于在初次运动学标定时没有将因机器人自重所造成的弹性变形误差从测量数据中分离出来，导致辨识出的结构参数存在误差，同时又因为机器人整机动刚度模型是结构参数的函数，也造成了动刚度模型误差。因此，亟需一种切削加工机器人静态误差补偿与动刚度模型的修正方法,来综合动静态误差的分析过程，对机器人静态误差补偿与动刚度模型进行修正，从而解决机器人加工精度差的问题。
技术实现思路
本专利技术针对工业机器人存在重复定位精度低、刚度差、误差分析控制繁琐等问题，提供一种切削加工机器人静态误差补偿与动刚度模型的修正方法。本专利技术的一种切削加工机器人静态误差补偿与动刚度模型的修正方法，解决上述技术问题采用的技术方案如下：一种切削加工机器人静态误差补偿与动刚度模型的修正方法，该方法的实现过程包括：步骤一、根据机器人本体参数的描述文件对机器人进行运动学标定，辨识机器人结构参数，进行静态误差的补偿，同时记录标定过程的测量及计算数据；步骤二、建立机器人整机动刚度模型，通过模态分析实验辨识模态参数并记录模态实验数据；步骤三、检测机器人位姿精度与动刚度模型是否满足机器人末端定位精度要求：a)若不满足精度要求，对机器人不同位姿下的受力情况进行运动学标定，并计算标定程中因机器人自重造成的弹性变形误差，修正标定过程中的静态误差补偿，并基于修正后的静态误差补偿，返回步骤二，修正建立的机器人整机动刚度模型；b)若满足精度要求，则完成静态误差补偿和机器人动刚度模型的修正。具体的，所涉及机器人本体参数的描述文件即能够完整描述机器人本体参数的规范性文件，所述描述文件的生成过程包括：1)依据机器人的结构参数，对机器人动特性的灵敏度进行分析，所述结构参数包括功能组件、关节连接方式、结构组成三类，其中，所述功能组件包括驱动单元，连杆单元，减速器单元，所述关节连接方式包括一体化连接、联轴器连接，所述结构组成包括串联、并联、串并联结合；2)根据分析结果制定参数描述的精度准则与规范；3)采用标准化的XML文件格式作为载体，对功能组件、关节连接方式、结构组成三类参数进行灵敏度分析后，分别生成功能组件参数的描述文件、关节连接方式参数的描述文件、结构组成参数的描述文件；4)开源xml文件生成器将功能组件参数的描述文件、关节连接方式参数的描述文件、结构组成参数的描述文件整合生成机器人本体参数的描述文件。更具体的，在描述文件的生成过程中，依据机器人的结构参数，对机器人动特性的灵敏度分析，具体操作包括：依据机器人结构参数建立机器人仿真模型；依据机器人仿真模型，建立仿真动刚度模型；以仿真动刚度模型为目标函数，对机器人结构参数进行灵敏度分析；确定机器人结构参数变化对机器人控制系统动态特性的影响的灵敏度，并由机械工程师通过计算编程分析权衡结构参数的灵敏度，随后，人工制定参数描述的精度准则与规范。具体的，在步骤一中，对机器人进行运动学标定就是运用先进的测量手段和适当的参数识别方法辨识机器人整机动刚度模型的准确参数,进而提高机器人精度的过程，该过程包括：1)建模：利用仿真软件建立一个具有正确函数关系的关于机器人运动学的机器人模型，机器人模型表征了机器人结构参数及各关节角度与机器人末端在笛卡尔空间中位置的关系；2)测量：命令机器人执行多组动作，记录机器人执行每组动作时关节角度值和激光跟踪仪实时采集的空间坐标值，同时，命令机器人模型同步执行机器人的动作，进而计算出机器人模型末端的理论笛卡尔空间位置，最终得到机器人实际位置与机器人模型理论位置；3)参数识别：选取测量位置点的空间位置偏差的均方和为目标函数，以机器人结构参数作为优化变量，进行最优化求解，确定所建立机器人模型的误差系数；4)误差修正：将误差系数输入仿真软件，进行机器人模型修正。具体的，在步骤二中，建立整机动刚度模型的具体操作包括：步骤(一)、获取机器人本体参数的描述文件，通过描述文件调用模型类库；步骤(二)、首先，对机器人中影响误差分析的组件及组件接触特性进行理论分析，采用计算模态分析法建立各组件及组件接触特性的动刚度理论子模型，随后，对机器人中影响误差分析的组件及组件接触特性进行模态实验，通过对激励、响应数据的采集与处理，建立组件及组件接触特性的动刚度实验子模型与模态子模型，辨识出模态参数并进行动刚度实验子模型的验证；再随后，根据理论分析结果去除影响误差分析的极小因素，简化动刚度理论子模型的变量，通过动刚度实验子模型对相应组件及组件接触特性的动刚度理论子模型进行修正，获得符合精度要求的动刚度子模型；最后，通过模态综合理论将符合精度要求的动刚度子模型综合为机器人的整机动刚度理论模型；步骤(三)、对机器人整机进行模态实验，通过对激励、响应数据的采集与处理，建立机器人的整机动刚度实验模型与模态模型，辨识出模态参数并进行整机动刚度实验模型的验证；步骤(四)、通过整机动刚度实验模型对整机动刚度理论模型进行修正，获得符合精度要求的整机动刚度模型。更具体的，所涉及模型类库是应用面向对象的方法设计而成的，其设计过程包括：1)借助工具SQLserver建立机器人组件误差分析基类，包括ID、误差分析方法和其他属性，用于分析组件误差产生的原因；2)由机器人组件误差分析基类派生出功能组件类和关节连接方式类，其中，功能组件类是组件的刚度对误差影响的分析，功能组件类派生出杆件类、减速器类两个子类；关节连接方式类是对组件接触刚度影响的分析，关节连接方式类派生出一体式连接和联轴器连接两个子类；3)封装基类和派生出的子类，在建立机器人整机动刚度理论模型时，机器人本体参数的描述文件对模型类库的封装信息进行调用。在步骤(二)中，通过模态综合理论将动刚度子模型综合为机器人的整机动刚度理论模型，这一过程包括：对机器人中影响误差分析的组件及组件接触特性进行模态实验，通过对激励、响应数据的采集与处理，建立组件及组件接触特性的动刚度实验子模型与模态子模型，辨识出模态参数并进行动本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种切削加工机器人静态误差补偿与动刚度模型的修正方法，其特征在于,该方法的实现过程包括：/n步骤一、根据机器人本体参数的描述文件对机器人进行运动学标定，辨识机器人结构参数，进行静态误差的补偿，同时记录标定过程的测量及计算数据；/n步骤二、建立机器人整机动刚度模型，通过模态分析实验辨识模态参数并记录模态实验数据；/n步骤三、检测机器人位姿精度与动刚度模型是否满足机器人末端定位精度要求：/na)若不满足精度要求，对机器人不同位姿下的受力情况进行运动学标定，并计算标定程中因机器人自重造成的弹性变形误差，修正标定过程中的静态误差补偿，并基于修正后的静态误差补偿，返回步骤二，修正建立的机器人整机动刚度模型；/nb)若满足精度要求，则完成静态误差补偿和机器人动刚度模型的修正。/n

【技术特征摘要】
1.一种切削加工机器人静态误差补偿与动刚度模型的修正方法，其特征在于,该方法的实现过程包括：
步骤一、根据机器人本体参数的描述文件对机器人进行运动学标定，辨识机器人结构参数，进行静态误差的补偿，同时记录标定过程的测量及计算数据；
步骤二、建立机器人整机动刚度模型，通过模态分析实验辨识模态参数并记录模态实验数据；
步骤三、检测机器人位姿精度与动刚度模型是否满足机器人末端定位精度要求：
a)若不满足精度要求，对机器人不同位姿下的受力情况进行运动学标定，并计算标定程中因机器人自重造成的弹性变形误差，修正标定过程中的静态误差补偿，并基于修正后的静态误差补偿，返回步骤二，修正建立的机器人整机动刚度模型；
b)若满足精度要求，则完成静态误差补偿和机器人动刚度模型的修正。


2.根据权利要求1所述的切削加工机器人静态误差补偿与动刚度模型的修正方法，其特征在于，所述机器人本体参数的描述文件即能够完整描述机器人本体参数的规范性文件，所述描述文件的生成过程包括：
1)依据机器人的结构参数，对机器人动特性的灵敏度进行分析，所述结构参数包括功能组件、关节连接方式、结构组成三类，其中，所述功能组件包括驱动单元，连杆单元，减速器单元，所述关节连接方式包括一体化连接、联轴器连接，所述结构组成包括串联、并联、串并联结合；
2)根据分析结果制定参数描述的精度准则与规范；
3)采用标准化的XML文件格式作为载体，对功能组件、关节连接方式、结构组成三类参数进行灵敏度分析后，分别生成功能组件参数的描述文件、关节连接方式参数的描述文件、结构组成参数的描述文件；
4)开源xml文件生成器将功能组件参数的描述文件、关节连接方式参数的描述文件、结构组成参数的描述文件整合生成机器人本体参数的描述文件。


3.根据权利要求2所述的切削加工机器人静态误差补偿与动刚度模型的修正方法，其特征在于，依据机器人的结构参数，对机器人动特性的灵敏度分析，具体操作包括：
依据机器人结构参数建立机器人仿真模型；
依据机器人仿真模型，建立仿真动刚度模型；
以仿真动刚度模型为目标函数，对机器人结构参数进行灵敏度分析；
确定机器人结构参数变化对机器人控制系统动态特性的影响的灵敏度，并由机械工程师通过计算编程分析权衡结构参数的灵敏度，随后，人工制定参数描述的精度准则与规范。


4.根据权利要求1所述的切削加工机器人静态误差补偿与动刚度模型的修正方法，其特征在于，对机器人进行运动学标定就是运用先进的测量手段和适当的参数识别方法辨识机器人整机动刚度模型的准确参数,进而提高机器人精度的过程，该过程包括：
1)建模：利用仿真软件建立一个具有正确函数关系的关于机器人运动学的机器人模型，机器人模型表征了机器人结构参数及各关节角度与机器人末端在笛卡尔空间中位置的关系；
2)测量：命令机器人执行多组动作，记录机器人执行每组动作时关节角度值和激光跟踪仪实时采集的空间坐标值，同时，命令机器人模型同步执行机器人的动作，进而计算出机器人模型末端的理论笛卡尔空间位置，最终得到机器人实际位置与机器人模型理论位置；
3)参数识别：选取测量位置点的空间位置偏差的均方和为目标函数，以机器人结构参数作为优化变量，进行最优化求解，确定所建立机器人模型的误差系数；
4)误差修正：将误差系数输入仿真软件，进行机器人模型修正。


5.根据权利要求1-4中任一项所述的切削加工机器人静态误差补偿与动刚度模型的修正方法，其特征在于，建立整机动刚度模型的具体操作包括：
步骤(一)、获取机器人本体参数的描述文件，通过描述文件调用模型类库；
步骤(二)、首先，对机器人中影响误差分析的组件及组件接触特性进行理论分析，采用计算模态分析法建立各组件及组件接触特性的动刚度理论子模型，
随后，对机器人中影响误差分析的组件及组件接触特性进行模态实验，通过对激励、响应数据的采集与处理，建立组件及组件接触特性的动刚度实验子模型与模态子模型，辨识出模态参数并进行动刚度实验子模...

【专利技术属性】
技术研发人员：周婷婷，
申请(专利权)人：齐鲁工业大学，
类型：发明
国别省市：山东;37