一种复杂木模工业机器人铣削及控制方法技术

一种复杂木模工业机器人铣削及控制方法，它涉及一种加工方法，具体涉及一种复杂木模工业机器人铣削及控制方法。本发明专利技术的目的是保证木模加工的质量和尺寸，由于木模优劣程度直接影响着产品的，目前普遍使用数控加工生产木模，相比数控加工，工业机器人具有活动空间宽广，控制精度高，运动姿态可变性强的优势，特别是对于体积规模大的复杂木模，工业机器人具有更好的加工适应性。但如何使用机器人实现复杂曲面的高精度加工仍然在研究当中，本发明专利技术以安川MOTOMAN

【技术实现步骤摘要】
一种复杂木模工业机器人铣削及控制方法


[0001]本专利技术属于制造加工
，具体涉及以复杂木模为加工对象，拟探究用CAM系 统的铣削功能结合NURBS理论生成加工自由曲面的刀具轨迹方法，并研究工业机器人运动 学机理，建立学科交叉体系，在运算能力强大的MATLAB软件中进行融合转化，从而探究工 业机器人铣削复杂曲面的控制机理，最终建立工业机器人铣削复杂木模的NURBS轨迹规划 方法。

技术介绍

[0002]模具被称为是“工业之母”，而木模是一种传统的主流模具形式，主要应用在铸造业 当中，对于轮廓复杂的产品，木模的制造难度也相应地增加。但利用数控加工中心进行复杂 木模加工时，要采取移动轴加旋转轴的组合，对软硬件配置要求也比较高，因此复杂木模面 临着制造工艺复杂，成本时间消耗大的问题，对于木模加工急需要一种智能化、标准化、信 息化的新技术。
[0003]工业机器人多由若干个关节串联而成，这就使得它在工作范围、自由度和灵活性上比 数控机床具有显著优势，它综合机械学科和电子学科为一体，具有非常强的可控性，工作精 确度很高，通用性是工业机器人的一大特点。
[0004]工业机器人制造复杂曲面类产品时，包含着很多相关技术的融合，如复杂零件的造型 方法、末端执行器的轨迹规划、程序后置处理、图形仿真、插补方式、关节运动控制等。
[0005]利用工业机器人进行铣削的首要难点在于刀具轨迹规划，刀具运动轨迹的精确程度直 接影响着铣削质量，规划刀具轨迹的核心问题是保证刀具以期望的姿态和速度到达目标位置。 复杂曲面的铣削是一个繁琐的过程，伴随着计算机科学和三维建模技术的迅速发展，可以借 助计算机的辅助设计与制造功能来完成刀具的轨迹规划，工作人员可以交互地完成零件毛坯、 刀具参数、刀具姿态、走刀步长、加工行距和铣削速度等操作参数的设置，从而得到符合机 器人加工的刀位数据，同时通过后处理将离散的刀位信息转化处理为工业机器人的控制程序， 并在计算机中进行运动轨迹的动态仿真验证，检查机器人程序文件的可靠性，这样的离线式 刀具轨迹规划方式相比单纯的手工示教器编程具有以下诸多优点：(1)保证机器人连续工作， 更换工作任务无需停机编程，提升生产效率；(2)可通过动画仿真验证程序的可靠性，提前预 判碰撞干涉；(3)可对各类机器人进行编程，并根据具体任务对程序进行优化改进；(4)能够直 接使用CAD/CAM软件生成复杂曲面的加工路径，并对生成路径进行后置处理。因此，通过 计算机的辅助设计和制造可以规划出复杂的加工路径，从而大幅度发挥工业机器人的工作能 力，将机器人优秀的工作特点完美适用于各类复杂对象的加工中，同时提高了编程效率和加 工精度，同时减少操作者的劳动强度，目前CAD/CAM集成系统已经开始用于工业机器人的 加工路径规划中，一些机器人公司的离线编程软件也添加了CAD/CAM集成功能。例如ABB 工业机器人的专用离线编程软件RobotStudio中增加了加工路径规划模块。但是这些软件中 附带的CAD/CAM功能非常有限，只能依据三维模型的表面规划处简单的加工路径，无法实 现针对复杂曲面的刀具路径规划。
[0006]工业机器人轨迹规划的精度和平滑性尤为重要，插补方式对工业机器铣削轨迹有直接 影响，采用一般的直线或圆弧插补逼近自由曲面不仅数据载荷大，需要大量的数据传输时间， 占用很多控制柜内存，而且在加工过程中，经常出现速度和加速度不连续的情况，造成工业 机器人末端执行器振动，使得加工精度相去甚远。而NURBS曲线在自由曲线曲面的描述上 有无可比拟的优势，它的全称是非均匀有理B样条(Non
‑
Uniform Rational B
‑
Splines)，NURBS 为圆锥曲线曲面与B样条曲线曲面在表达上提供了统一方式，其不仅可以描述常规曲线曲面， 也可以描述复杂曲线曲面。NURBS也因此成为曲线曲面造型技术最重要的基础，在当代工业 产品几何设计中占有举足轻重的地位，其在理论和应用上逐渐走向成熟。在复杂曲面加工当 中，NURBS也经常被用于精确描述铣削加工中的刀具轨迹，利用NURBS刀具轨迹插补技 术可将笛卡尔空间三维问题映射为一维参数曲线问题，这样能使插补计算过程快速又简单， 还可降低加工数据量以及减轻程序传输负载，大量学者针对NURBS刀具轨迹的插补算法进 行研究，旨在提高插补精度的同时减小插补计算量。
[0007]当前的CAD系统已经广泛使用NURBS方法来描述和设计复杂曲面零件，此外，CAM 系统也能够输出具有NURBS形式的刀具轨迹文件，但是中低端设备系统尚不具备NURBS 刀具轨迹的直接插补能力，因此CAM系统输出的刀具路径仍是由离散圆弧段和直线段构成， 直接利用这些包含圆弧段和直线段的刀具轨迹对产品加工精度不利，为了解决使用小线段路 径带来的加工缺陷，可以根据CAM中生成的由一系列离散刀位点组成的线性路径，采用 NURBS方法对离散刀具路径进行高精度重构，然后依据加工精度的要求，对NURBS刀轨曲 线进行插补以获得更密集的加工刀位点，在这个过程中虽然造成了额外的计算误差，但是能 够让加工表面更加平滑，因此这个过程被称为“光滑插补”。
[0008]NURBS插补避免了以直代曲，而是以微小线段对加工曲面轮廓进行逼近。相比直线插 补和圆弧插补，NURBS插补方法能得到更加准确、光顺的加工轨迹，在允许的加工范围内， 能够减少加减速的频率，实现加工路径的高阶连续，大大提升了加工效率，改善了零件表面 质量。
[0009]综上所述，基于CAM铣削策略，将NURBS方法用于复杂木模的机器人加工轨迹规划 当中，对于提高机器人的编程效率，减小机器人工作时的振动，保证复杂零件的表面加工质 量和精度具有重要意义。但目前对于利用NURBS方法进行机器人的铣削轨迹规划，相关研 究成果较少，而且也不成熟。

技术实现思路

[0010]为了解决以上所述技术问题，本专利技术提供一种复杂木模工业机器人铣削机理及控制机 制方法，具体包括以下内容：
[0011]在实际生产中，往往需要求出B样条曲线上的若干点的值，而不需要去计算一整条曲 线的值。在已知定义的一条k次B样条曲线对应的控制顶点集、曲线节点矢量U以及待求 点的参数值u，要求得曲线上对应点的坐标，共需要进行三个步骤：第一步：搜索节点矢量U， 找到参数u在所在的非零节点区间[u
i
,u
i
+1]；第二步：计算所在节点区间内的所有非零k次基 函数；第三步：最后根据B样条定义式将非零基函数值与对应的控制点相乘并求和。
[0012]利用工业机器人进行铣削任务时，核心问题是轨迹规划，而分析工业机器人的运动特 性是轨迹规划的基础。由于工业机器人是由一系列可相对运动的关节连接而成的连
杆结合体， 因此工业机器人运动学主要是解决两类问题：正向运动学问题，根据连杆几何参数和一组关 节角度变量，求得工业机器人最末端执行器在参考坐标系中的位姿。一般通过建立机器人各 连杆坐标系，进而建立末端执行器位姿关于关节角度的函数表达式，即运本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种复杂木模工业机器人铣削及控制方法，其特征在于：借助计算机的辅助设计与制造功能来完成刀具的轨迹规划，工作人员可以交互地完成零件毛坯、刀具参数、刀具姿态、走刀步长、加工行距和铣削速度等操作参数的设置，从而得到符合机器人加工的刀位数据，同时通过后处理将离散的刀位信息转化处理为工业机器人的控制程序，并在计算机中进行运动轨迹的动态仿真验证，检查机器人程序文件的可靠性。2.根据权利要求1所述的一种复杂木模工业机器人铣削及控制方法，其特征在于：用NURBS插补避免了以直代曲，而是以微小线段对加工曲面轮廓进行逼近。相比直线插补和圆弧插补，NURBS插补方法能得到更加准确、光顺的加工轨迹，在允许的加工范围内，能够减少加减速的频率，实现加工路径的高阶连续，大大提升了加工效率，改善了零件表面质量。3.根据权利要求1所述的一种复杂木模工业机器人铣削及控制方法，其特征在于：基于CAM铣削策略，将NURBS方法用于复杂木模的机器人加工轨迹规划当中，对于提高机器人的编程效率，减小机器人工作时的振动，保证复杂零件的表面加工质量和精度具有重要意义。4.根据权利要求1所述的一种复杂木模工业机器人铣削及控制方法，其特征在于：由离散刀位点构成的小直线段无法满足高效率和高精度的加工需求。为了得到更为密集的加工刀位点以保证精度，可以先将CAM输出的一系列离散刀位点进行NURBS曲线插值拟合，从而得到复杂曲面的NURBS刀具轨迹曲线，然后基于NURBS刀具轨迹曲线进行插补运算，将NURBS曲线插补的优越性应用于曲面加工任务中。5.根据权利要求1所述的一种复杂木模工业机器人铣削及控制方法，其特征在于：球头刀与曲面的接触位置并不总是刀尖，随着曲面曲率的变化，刀尖点相对刀触点位置进行了不同幅度的偏置，从而使得球头刀刀头外轮廓恰好与加工曲面相切。因此CAM系统中用固定...

【专利技术属性】
技术研发人员：王小荣，杨靖，王朝琴，何鹏，罗冠炜，
申请(专利权)人：兰州荣翔轨道交通科技有限公司，
类型：发明
国别省市：