面向机器人恒力磨抛工艺的工具轨迹离线编程方法及系统技术方案

本发明专利技术提供了一种面向机器人恒力磨抛工艺的工具轨迹离线编程方法及系统，包括：步骤S1：建立及标定工具工件的数值接触力模型和材料去除模型；步骤S2：根据冗余材料分布迭代搜索高于预设优先级的磨抛子区域；步骤S3：通过材料去除模型在提取的子区域内规划最优初始路径方向、最优工具驻留时间和最优相邻磨抛路径间隔；步骤S4：输出对应机器人系统的可执行文件。本方法高效实用，适用于一般形状的磨抛工具及工件曲面，可提高表面精度。使用本发明专利技术开展力控磨抛，可使得工业机器人能在复杂工件曲面上高效的生成最优的磨抛路径，从而提高加工精度。工精度。工精度。

【技术实现步骤摘要】
面向机器人恒力磨抛工艺的工具轨迹离线编程方法及系统


[0001]本专利技术涉及抛光领域，具体地，涉及一种面向机器人恒力磨抛工艺的工具轨迹离线编程方法及系统。

技术介绍

[0002]磨抛是工件表面处理工艺中的一项重要工艺，目前主要依赖于人工，生产环境恶劣、效率低下、质量一致性无法保证，急需向自动化、智能化生产方式转变。机器人恒力磨抛目前在工业中得到了广泛应用，但其在工艺参数优化、轨迹离线编程等方面仍存在技术瓶颈，无法实现复杂零件上的理想材料去除。
[0003]基于接触力和材料去除模型，可以对刀具路径和工艺参数如磨抛工具的进给速度、进给方向、法向接触力、工具转速进行优化。在圆盘磨抛工艺中，工具倾斜角也可作为一个额外的工艺参数优化。但对于在指定的工件点上实现理想材料去除深度这一任务，可以仅通过规划路径上的工具驻留时间就可以实现。工具驻留时间可以通过求解一个具有进给速度约束的线性最小二乘方程得到。利用相邻磨抛路径材料去除轮廓之间的重叠，可以优化路径间隔以进一步减小残差高度。Xi等提出了一种抛光路径规划算法，可以实现自由曲面工件上的材料均匀去除。Liao等提出了一种打磨力规划算法，可以实现预期的材料去除轮廓。
[0004]对于结构复杂的工件，如果在单个区域中规划工具路径，则很难实现表面的均匀一致磨抛。近年来，研究人员提出了不同的基于区域划分的加工路径规划方法，比如基于表面拓扑和法线方向，将自由曲面分成多个平坦面。然后，确定每个平坦面片的工具移动方式和扫掠方向。Atkar等人提出了一种分层次路径规划方法，该方法根据表面几何形状自动分割表面，以获取简单的子区域。Olivieri等提出了一种基于曲面曲率、法线方向和曲面拓扑的连续曲面分割方法生成扫掠路径。除了基于几何信息的表面分割方法以外，还有基于特定任务的约束，如加工误差分布，与方向有关的机器人刚度和局部干涉避免。
[0005]因此，目前基于接触力模型的磨抛路径和工艺参数规划研究还有几个尚未解决的关键问题：一、针对端磨工艺中的“边
‑
面”接触，如何半解析和数值地建立磨抛工具法向接触力和法向位移的非线性关系，以及如何计算接触区域内的压强分布，从而能得到材料去除率与各工艺参数间的显式关系；二、对于高复杂性的曲面工件，如汽车轮毂，现有的表面分割方法难以在具有多根辐条、凹槽，以及多种复杂子结构的工件点云上实现。
[0006]专利文献CN105269565B(申请号：CN201510718150.0)公开了一种六轴磨抛工业机器人离线编程及修正方法，具体包括建立模型、提取工件加工路径信息、点数据处理、生成机器人加工运动关节角、生成机器人加工运动轨迹、机器人磨抛加工运动仿真、生成机器人运动关键参数转换模块和代码、砂带位置修正、位姿和奇异位形修正以及磨抛工作环境的修正。但该专利技术不能在在复杂工件曲面上高效的生成最优的磨抛路径。

技术实现思路

[0007]针对现有技术中的缺陷，本专利技术的目的是提供一种面向机器人恒力磨抛工艺的工具轨迹离线编程方法及系统。
[0008]根据本专利技术提供的一种面向机器人恒力磨抛工艺的工具轨迹离线编程方法，包括：
[0009]步骤S1：建立及标定工具工件的数值接触力模型和材料去除模型；
[0010]步骤S2：根据冗余材料分布迭代搜索高优先级的磨抛子区域；
[0011]步骤S3：通过材料去除模型在提取的子区域内规划最优初始路径方向、最优工具驻留时间和最优相邻磨抛路径间隔；
[0012]重复执行步骤S1至步骤S3，直到工件表面材料去除达到预设的深度，输出对应机器人系统的可执行运动指令。
[0013]优选地，在所述步骤S1中：
[0014]所述数值接触力模型将工件曲面表示为离散点云，基于非线性应力
‑
应变关系及点
‑
面数值距离公式，计算恒磨抛力下工件点云上的接触压强分布；
[0015]所述材料去除模型，根据所述的数值接触力模型，预测磨抛工具在工件点云上进给时产生的材料去除深度；
[0016]所述工件点云通过三维CAD模型或者三维扫描仪扫描得到，工件点云在世界坐标系下表示为：
[0017][0018]其中，N是工件采样点的数目，W
k
为第k个工件采样点，x
k
为工件采样点的x坐标，y
k
为工件采样点的y坐标，z
k
为工件采样点的z坐标；
[0019]所设磨抛工具安装在机器人末端，机器人通过磨抛工具对工件施加沿工件法线方向的正压力，沿工件法线方向的正压力为法向接触力，磨抛工具由主轴驱动高速旋转，用于去除工件表面的多余材料，磨抛工具由I个垂直于磨抛盘底面的虚拟弹簧组成，所述法向接触力计算为所有离散圆盘点的压强的加权总和：
[0020][0021]其中，F
N
为法向接触力，I为离散的虚拟弹簧数目，H为磨抛盘的厚度；
[0022]所述接触压强分布根据非线性应力
‑
应变关系：计算得到；
[0023]其中，h
i
是圆盘上第i个离散点的接触深度，p
i
是第i个离散点的接触压强，E定义为非线性材料模量，β定义为应力
‑
应变幂指数，通过工具加载实验确定，ΔS
i
为圆盘工具上离散单元的面积；
[0024]法向接触力保持为F
d
，最大接触深度h0根据数值接触力模型估计得到，根据应力
‑
应变关系计算接触压强分布，通过牛顿割线法迭代求解在工具标架{O
T
}处的最大接触深度h0。
[0025]优选地，在所述步骤S2中：
[0026]所述子区域为满足空间距离及法向变化限制的工件点云邻域；
[0027]优先级指标为子区域内以高斯核函数作为权重的冗余材料深度加权和；
[0028]子区域搜索方法选择优先级指标最大的工件点作为高优先级磨抛子区域的中心点；
[0029]所述磨抛子区域定义为工件点W
i
的邻域，为所有到该中心点W
i
的方向加权距离小于R
I
的工件点的集合：
[0030]Subregion
i
＝{W
k
|Dist(W
i
,W
k
)≤R
I
}
[0031]其中，Subregion
i
表示第i个子区域，R
I
定义为兴趣半径，是人工选取的参数；Dist表示方向加权距离函数，定义如下：
[0032][0033]其中，表示工件点W
k
处的法线方向,n
Wi
表示工件点W
i
处的法线方向，w
o
是工件点法向变化相对于工件点位置变化的权重系数，权重系数由以Dist(W
i
,W
k...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种面向机器人恒力磨抛工艺的工具轨迹离线编程方法，其特征在于，包括：步骤S1：建立及标定工具工件的数值接触力模型和材料去除模型；步骤S2：根据冗余材料分布迭代搜索高优先级的磨抛子区域；步骤S3：通过材料去除模型在提取的子区域内规划最优初始路径方向、最优工具驻留时间和最优相邻磨抛路径间隔；重复执行步骤S1至步骤S3，直到工件表面材料去除达到预设的深度，输出对应机器人系统的可执行运动指令。2.根据权利要求1所述的面向机器人恒力磨抛工艺的工具轨迹离线编程方法，其特征在于，在所述步骤S1中：所述数值接触力模型将工件曲面表示为离散点云，基于非线性应力
‑
应变关系及点
‑
面数值距离公式，计算恒磨抛力下工件点云上的接触压强分布；所述材料去除模型，根据所述的数值接触力模型，预测磨抛工具在工件点云上进给时产生的材料去除深度；所述工件点云通过三维CAD模型或者三维扫描仪扫描得到，工件点云在世界坐标系下表示为：其中，N是工件采样点的数目，W
k
为第k个工件采样点，x
k
为工件采样点的x坐标，y
k
为工件采样点的y坐标，z
k
为工件采样点的z坐标；所设磨抛工具安装在机器人末端，机器人通过磨抛工具对工件施加沿工件法线方向的正压力，沿工件法线方向的正压力为法向接触力，磨抛工具由主轴驱动高速旋转，用于去除工件表面的多余材料，磨抛工具由I个垂直于磨抛盘底面的虚拟弹簧组成，所述法向接触力计算为所有离散圆盘点的压强的加权总和：其中，F
N
为法向接触力，I为离散的虚拟弹簧数目，H为磨抛盘的厚度；所述接触压强分布根据非线性应力
‑
应变关系：计算得到；其中，h
i
是圆盘上第i个离散点的接触深度，p
i
是第i个离散点的接触压强，E定义为非线性材料模量，β定义为应力
‑
应变幂指数，通过工具加载实验确定，ΔS
i
为圆盘工具上离散单元的面积；法向接触力保持为F
d
，最大接触深度h0根据数值接触力模型估计得到，根据应力
‑
应变关系计算接触压强分布，通过牛顿割线法迭代求解在工具标架{O
T
}处的最大接触深度h0。3.根据权利要求1所述的面向机器人恒力磨抛工艺的工具轨迹离线编程方法，其特征在于，在所述步骤S2中：所述子区域为满足空间距离及法向变化限制的工件点云邻域；优先级指标为子区域内以高斯核函数作为权重的冗余材料深度加权和；子区域搜索方法选择优先级指标最大的工件点作为高优先级磨抛子区域的中心点；
所述磨抛子区域定义为工件点W
i
的邻域，为所有到该中心点W
i
的方向加权距离小于R
I
的工件点的集合：Subregion
i
＝{W
k
|Dist(W
i
,W
k
)≤R
I
}其中，Subregion
i
表示第i个子区域，R
I
定义为兴趣半径，是人工选取的参数；Dist表示方向加权距离函数，定义如下：其中，表示工件点W
k
处的法线方向,表示工件点W
i
处的法线方向，w
o
是工件点法向变化相对于工件点位置变化的权重系数，权重系数由以Dist(W
i
,W
k
)为自变量的高斯核函数给出：其中，Re
i
为工件点W
i
上的冗余材料深度，ρ为工件点云的采样密度，σ为高斯核函数的标准差，σ＝αR
I
，α的数值在预设区间；由于定位所述磨抛子区域时需要考虑加工效率，假设工具标架为{O
T
}，工件点为W
i
，工具移动成本Dist({O
T
},W
i
)定义为：其中，n
T
表示磨抛盘的轴向，所述优先级指标在每个采样的工件点处定义；优先级指标包括两部分：第一部分为平均冗余材料深度，第二部分反映了工具移动成本；其中，Prior
i
表示第i个子区域的优先级指标，w
m
为工具移动成本相对于平均冗余材料深度的权重系数；选择优先级最高的工件点作为高优先级磨抛子区域的中心点：其中，CenterIndex
*
表示高优先级磨抛子区域的中心点索引；所述高优先级子区域因此定义如下：其中，Subregion
*
表示生成的高优先级磨抛子区域；在每个生成的高优先级磨抛子区域内，选择平行路径的磨抛方式，路径方向平行于y轴，待优化的变量有路径的方向角θ，位置x
n
及每条路径上工具驻留的时间T
n
。4.根据权利要求1所述的面向机器人恒力磨抛工艺的工具轨迹离线编程方法，其特征在于，在所述步骤S3中：所述最优初始路径方向为被选择为覆盖子区域内冗余材料最多的方向；所述最优工具驻留时间利用材料去除模型，通过求解以磨抛路径附近冗余材料深度最小化为目标、以机器人进给速度及速度变化为约束的线性最小二乘问题得到；所述最优相邻磨抛路径间隔通过求解以相邻路径间冗余材料深度均方差最小化为目标的单峰函数极值问题得到。5.根据权利要求4所述的面向机器人恒力磨抛工艺的工具轨迹离线编程方法，其特征
在于：所述最优路径方向角θ定义为包含冗余材料最多的方向，公式如下：其中，θ
*
表示最优的路径方向角，Re
k
表示第k个工件点的冗余材料深度；度量了每条磨抛路径对附近工件点W
k
的影响程度，影响程度的度量函数给出如下：其中，Φ(x)表示上式定义的去除轮廓函数，w表示磨抛路径的宽度；所述磨抛路径x＝x
n
的下端点和上端点表示为和由上到下对磨抛路径进行采样，采样点投影距离间隔为δ，路径采样点在局部x
‑
y平面上的投影由下式给出：工具轴与由工具进给方向和近似的工件法向确定的面位于同一平面，对于每个采样路径点工具姿态由下式给出：其中θ为圆盘与工件切平面的夹角，为第j个路径点的法向，f为工具进给方向，R为工具半径；用MR
n
表示路径x＝x
n
对应的材料去除矩阵，矩阵元素等于第i个工件点在第j个工具采样位置处的材料去除率；所述所有采样路径点处的驻留时间T
n
记为：t
i
(i＝1,2,
…
,|Q
n
|)为工具在第i个路径点的驻留时间，|Q
n
|为路径点的采样个数；则材料去除深度等于MR
n
·
T
n
；由于规划工具驻留时间的目的是将去除所有冗余材料，工具驻留时间通过求解如下带约束的线性最小二乘问题得到：s.t.t
min
≤T
n
≤t
max
其中，t
min
和t
max
表示工具在某一工件点最短和最长的停留时间；在机器人运动指令中，所述进给速度可通过计算工具驻留时间的倒数得到，即：v
f,kn
＝1/t
kn
；将进给速度变化限制作为额外的约束加入上式中，得到：
s.t.t
min
≤T
n
≤t
max
其中代表工具驻留时间差分矩阵；第n条磨抛路径为x＝x
n
规划好后，沿该路径磨抛之前和之后的冗余材料分布分别记为Re
(n
‑
1)
和Re
(n)
，工具从所述磨抛子区域的左侧移动到右侧，需要找到下一个最优路径位置x
n+1
，使从x
n
到x
n+1
之间的工件点冗余材料深度的平方和均值最小化：之间的工件点冗余材料深度的平方和均值最小化：其中，x
n+1*
为下一个最优的磨抛路径位置，L为冗余材料分布的方差；当搜索下一条最优路径x＝x
n+1
时，在计算沿路径x＝x
n+1
上的驻留时间时仍然使用的是沿路径x＝x
n
打磨前的冗余材料深度分布Re
(n
‑
1)
，将所述代价函数视为一个极小点位置在x
n
到x
n+1
之间的单峰函数，用黄金分割法找到下一个路径位置x
n+1
；所述局部工件轨迹规划算法在初始路径的左右两侧分别进行，直到新路径到达子区域左右边界时停止，所述高优先级磨抛子区域搜索算法根据更新后的工件表面冗余材料分布生成新的高优先级磨抛子区域，直到工件上材料去除达到理想的深度为止。6.一种面向机...

【专利技术属性】
技术研发人员：丁烨，肖牧邦，
申请(专利权)人：上海交通大学，
类型：发明
国别省市：