基于双臂协作的环面蜗轮滚刀前刀面加工系统及其方法技术方案

本发明专利技术涉及一种基于双臂协作的环面蜗轮滚刀前刀面加工系统及其方法，该系统包括第一机械臂和第二机械臂，所述第一机械臂的末端通过第一电主轴连接安装有滚刀基本蜗杆，所述第二机械臂的末端通过第二电主轴连接安装有加工刀具，所述第一机械臂和第二机械臂分别根据设定的对应的加工轨迹和指令，以分别控制滚刀基本蜗杆的工作位置、加工刀具的工作位置和加工力。与现有技术相比，本发明专利技术能够实现环面蜗轮滚刀螺旋槽前刀面的自动化加工，具有加工精度高、加工效率高的优点，尤其适用于狭小空间中复杂曲面的加工制造，同时能够降低生产成本。本。本。

【技术实现步骤摘要】
基于双臂协作的环面蜗轮滚刀前刀面加工系统及其方法


[0001]本专利技术涉及环面蜗轮加工
，尤其是涉及一种基于双臂协作的环面蜗轮滚刀前刀面加工系统及其方法。

技术介绍

[0002]与圆柱蜗杆传动相比，环面蜗杆传动具有承载能力强、体积小、传动效率高和使用寿命长等优点，能够很好地满足机械行业对传动装置小型化和轻量化的需求。环面蜗杆传动中的蜗轮通常由环面蜗轮滚刀滚切而成，环面蜗轮滚刀以环面蜗杆为基体制造而成，由于环面蜗轮滚刀各个刀齿的形状不同、滚刀基本蜗杆齿面螺旋线上各处的螺旋升角也不相同，导致环面蜗轮滚刀的制造比较复杂，特别是环面蜗轮滚刀螺旋槽前刀面的成形及加工方法，将直接影响刀齿的切削性能和滚切蜗轮的齿面质量。因此有必要提升环面蜗轮滚刀的加工制造水平，以促进二次包络环面蜗杆传动的发展。
[0003]目前，针对环面蜗轮滚刀前刀面的加工，大多采用机床铣削方法，对于直槽滚刀而言，机床铣削加工方法简单，不要求机床的C轴联动，但是对于螺旋槽滚刀来说，不仅需要四轴联动的机床，并且由于前刀面是复杂曲面，边齿的齿根等加工区域加工路径复杂，一方面传统机床铣削的加工精度难以保证，另一方面传统机床铣削的加工路径将会对机床本身的灵活性产生更高的要求，数控机床在对复杂曲面进行加工操作时，由于设备本身自由度及操作度的限制，可能存在加工盲区，最终导致无法适用于狭小空间中复杂曲面的加工制造。

技术实现思路

[0004]本专利技术的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种基于双臂协作的环面蜗轮滚刀前刀面加工系统及其方法，以实现环面蜗轮滚刀螺旋槽前刀面的自动化精准加工。
[0005]本专利技术的目的可以通过以下技术方案来实现：一种基于双臂协作的环面蜗轮滚刀前刀面加工系统，包括第一机械臂和第二机械臂，所述第一机械臂的末端通过第一电主轴连接安装有滚刀基本蜗杆，所述第二机械臂的末端通过第二电主轴连接安装有加工刀具，所述第一机械臂和第二机械臂分别根据设定的对应的加工轨迹和指令，以分别控制滚刀基本蜗杆的工作位置、加工刀具的工作位置和加工力。
[0006]进一步地，所述第一机械臂和第二机械臂分别连接至同一控制器，所述控制器内存储有对应于第一机械臂和第二机械臂的控制程序。
[0007]进一步地，所述第二机械臂的末端还安装有用于采集加工接触力的力矩传感器。
[0008]进一步地，所述加工刀具为铣刀或指状砂轮。
[0009]一种基于双臂协作的环面蜗轮滚刀前刀面加工方法，包括以下步骤：
[0010]S1、建立双机械臂运动学模型，并进行基坐标系标定；
[0011]S2、生成环面蜗轮滚刀螺旋槽前刀面的加工路径，并规划相应的初步加工轨迹；
[0012]S3、构建双机械臂协作加工控制框架；
[0013]S4、搭建双机械臂协作加工仿真平台，通过仿真进行碰撞检查及碰撞处理，以保证双机械臂能够平稳连续地运动；
[0014]基于仿真结果对初步加工轨迹以及双机械臂的控制指令进行调整；
[0015]S5、根据调整后的加工轨迹以及控制指令，离线生成双机械臂协作加工环面蜗轮滚刀螺旋槽前刀面的控制程序；
[0016]S6、将待加工的滚刀基本蜗杆安装至第一机械臂的末端、在第二机械臂的末端安装加工刀具；
[0017]第一机械臂和第二机械臂分别按照控制程序发生运动，完成环面蜗轮滚刀螺旋槽前刀面加工。
[0018]进一步地，所述步骤S1的具体过程为：建立双机械臂与滚刀基本蜗杆、加工刀具之间的封闭运动链，包括两条开环运动链，其中一条开环运动链为第一机械臂基座
‑
第一机械臂末端
‑
滚刀基本蜗杆
‑
加工位置点，另一条开环运动链为第一机械臂基座
‑
第二机械臂基座
‑
第二机械臂末端
‑
加工刀具
‑
加工位置点；
[0019]之后使用激光跟踪仪标定第一机械臂、第二机械臂的基坐标系，根据相对坐标变换原理，得到第一机械臂基坐标系与第二机械臂基坐标系之间的相对变换矩阵。
[0020]进一步地，所述步骤S2的具体过程为：由加工刀具Σ
qd
展成螺旋槽前刀面Σ3，加工位置点M对应的滚刀基本蜗杆的轴向坐标为Z
i
，且有
‑
0.5L
w
≤Z
i
≤0.5L
w
，其中，L
w
为滚刀基本蜗杆的工作长度；
[0021]第二机械臂夹持加工刀具沿i
qod
轴和j
qod
轴移动的瞬时速度分别为v
x
和v
y
，位移分别为并且满足并且满足其中，X
qod
(0)和Y
qod
(0)分别为加工刀具沿i
qod
轴和j
qod
轴的初始位移；
[0022]第一机械臂夹持的滚刀基本蜗杆绕回转轴k
qo1
的瞬时转速为ω
q1
，转角为，转角为其中，为滚刀基本蜗杆的喉部转到S平面时对应蜗杆毛坯的转角，滚刀基本蜗杆绕回转轴k
qo1
的瞬时转速ω
q1
与第二机械臂夹持加工刀具沿j
qod
轴移动的瞬时速度v
y
成正比，即ω
q1
＝i
qd1
·
v
y
，其中，i
qd1
为滚刀基本蜗杆转动和加工刀具移动的速比；
[0023]第二机械臂夹持加工刀具围绕原点运动，加工刀具在滚刀基本蜗杆经过的路径即为加工轨迹，将加工轨迹离散化，得到单位切线矢量τ和单位内法线矢量f两个方向，然后根据这两个矢量方向，进一步确定第二机械臂末端加工刀具的姿态，其切矢量方向为加工路径的方向，法矢量方向是加工力的方向；
[0024]根据环面蜗轮滚刀螺旋槽前刀面的加工工艺要求，对第二机械臂末端加工刀具的姿态规定如下：在加工作业过程中，加工轨迹上路径点的法线矢量f与加工刀具TCP坐标系的X
t
方向重合，同时也是第二机械臂末端进行恒力控制的方向；TCP坐标系的Y
t
方向为路径点的切线矢量τ、且指向下一个加工位置点，同时也是加工刀具移动的方向，加工刀具的TCP坐标系的Z
t
方向与路径点的法线矢量f与切线矢量τ的叉乘方向w＝f
×
τ重合，且符合右手定则。
[0025]进一步地，所述步骤S3的具体过程为：第一机械臂夹持滚刀基本蜗杆进行位置控
制，以精确跟踪加工轨迹；第二机械臂夹持加工刀具进行加工轨迹跟踪，并通过实时采集加工接触力、基于阻抗控制算法进行加工刀具的恒定加工力控制。
[0026]进一步地，所述步骤S4的具体过程为：搭建与实物物理平台比例为1：1的双机械臂协作加工环面蜗轮滚刀螺旋槽前刀面系统仿真平台；<本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于双臂协作的环面蜗轮滚刀前刀面加工系统，其特征在于，包括第一机械臂(1)和第二机械臂(2)，所述第一机械臂(1)的末端通过第一电主轴(4)连接安装有滚刀基本蜗杆(3)，所述第二机械臂(2)的末端通过第二电主轴(6)连接安装有加工刀具(5)，所述第一机械臂(1)和第二机械臂(2)分别根据设定的对应的加工轨迹和指令，以分别控制滚刀基本蜗杆(3)的工作位置、加工刀具(5)的工作位置和加工力。2.根据权利要求1所述的一种基于双臂协作的环面蜗轮滚刀前刀面加工系统，其特征在于，所述第一机械臂(1)和第二机械臂(2)分别连接至同一控制器，所述控制器内存储有对应于第一机械臂(1)和第二机械臂(2)的控制程序。3.根据权利要求1所述的一种基于双臂协作的环面蜗轮滚刀前刀面加工系统，其特征在于，所述第二机械臂(2)的末端还安装有用于采集加工接触力的力矩传感器。4.根据权利要求1所述的一种基于双臂协作的环面蜗轮滚刀前刀面加工系统，其特征在于，所述加工刀具(5)为铣刀或指状砂轮。5.一种基于双臂协作的环面蜗轮滚刀前刀面加工方法，其特征在于，包括以下步骤：S1、建立双机械臂运动学模型，并进行基坐标系标定；S2、生成环面蜗轮滚刀螺旋槽前刀面的加工路径，并规划相应的初步加工轨迹；S3、构建双机械臂协作加工控制框架；S4、搭建双机械臂协作加工仿真平台，通过仿真进行碰撞检查及碰撞处理，以保证双机械臂能够平稳连续地运动；基于仿真结果对初步加工轨迹以及双机械臂的控制指令进行调整；S5、根据调整后的加工轨迹以及控制指令，离线生成双机械臂协作加工环面蜗轮滚刀螺旋槽前刀面的控制程序；S6、将待加工的滚刀基本蜗杆安装至第一机械臂的末端、在第二机械臂的末端安装加工刀具；第一机械臂和第二机械臂分别按照控制程序发生运动，完成环面蜗轮滚刀螺旋槽前刀面加工。6.根据权利要求5所述的一种基于双臂协作的环面蜗轮滚刀前刀面加工方法，其特征在于，所述步骤S1的具体过程为：建立双机械臂与滚刀基本蜗杆、加工刀具之间的封闭运动链，包括两条开环运动链，其中一条开环运动链为第一机械臂基座
‑
第一机械臂末端
‑
滚刀基本蜗杆
‑
加工位置点，另一条开环运动链为第一机械臂基座
‑
第二机械臂基座
‑
第二机械臂末端
‑
加工刀具
‑
加工位置点；之后使用激光跟踪仪标定第一机械臂、第二机械臂的基坐标系，根据相对坐标变换原理，得到第一机械臂基坐标系与第二机械臂基坐标系之间的相对变换矩阵。7.根据权利要求5所述的一种基于双臂协作的环面蜗轮滚刀前刀面加工方法，其特征在于，所述步骤S2的具体过程为：由加工刀具∑
qd
展成螺旋槽前刀面∑3，加工位置点M对应的滚刀基本蜗杆的轴向坐标为Zi，且有
‑
0.5L
w
≤Z
i
≤0.5L
w
，其中，L
w
为滚刀基本蜗杆的工作长度；第二机械臂夹持加工刀具沿i
qod
轴和j
qod
轴移动的瞬时速度分别为v
...

【专利技术属性】
技术研发人员：杨杰，常旭，崔国华，张振山，朱姿娜，夏春明，
申请(专利权)人：上海工程技术大学，
类型：发明
国别省市：