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申请/专利权人：华中科技大学

摘要：本发明属于机器人技术领域，公开了一种机器人球头刀铣削加工中的刀轴方向与冗余角优化方法，本发明采用从CAM软件中获得初始加工刀路以及初始加工刀路各个切触点的刀具‑工件接触区域信息；随后，针对每一个切触点，计算刀具与零件的无干涉区域，从而得到优化刀轴方向的边界。本发明在获得机器人初始机器人加工路径后，充分考虑机器人刚度、主轴重力与大长径比刀具的影响，通过非线性优化方法获得每个刀位点处的最佳刀具方向与冗余角，从而得到当前刀位点处基于刀尖误差指标的最佳机器人姿态，减少由于机器人刚度变形带来的加工误差，提升机器人铣削加工时的加工精度。

主权项：1.一种机器人球头刀铣削加工中的刀轴方向与冗余角优化方法，其特征在于，包括：步骤一，根据待加工工件，在CAM软件中生成初始刀具路径与初始姿态下刀具-工件切触区域信息；步骤二，针对每一个切触点，计算刀具与工件的无干涉区域，得到刀轴方向的优化边界；步骤三，计算姿态改变后的刀具-工件切触区域信息，并计算当前姿态下切削力；步骤四，根据当前姿态下切削力以及主轴重力计算刀尖点综合误差指标；步骤五，对于单个刀位点，根据刀尖点综合误差最小原则，使用优化算法优化限制条件下的刀具前倾角、侧倾角及冗余角，得到当前刀位点处刀尖点误差最小的机器人姿态；步骤六，对每个刀位点，重复优化操作，获得待加工工件的机器人加工最优姿态；所述机器人球头刀铣削加工中的刀轴方向与冗余角优化方法具体方法如下：a根据待加工的工件，在CAM软件中生成初始的加工刀路以及初始姿态下的刀具-工件切触信息；b根据初始切削力Fc与主轴重力FG，计算机器人末端受到的等效力f与等效力矩m，计算公式为： 其中st,sg分别代表了切削力和重力的方向向量，rt,rg分别了刀尖点到机器人法兰盘中心点以及主轴质心到机器人法兰盘中心点的位置向量，根据计算的切削力，计算机器人末端的刚度变形，其中包括平移变形Δx与旋转变形Δδ，计算公式为； 其中Ctt,Crr,Ctr分别代表机器人的力-平移变形刚度矩阵、力矩-旋转变形刚度矩阵与耦合刚度矩阵；c计算机器人末端到刀尖点的旋转变换矩阵，旋转变换矩阵表示为其中和分别表示机器人末端到刀尖点的旋转矩阵与平移矩阵，机器人末端发生刚度变形后，机器人末端的旋转矩阵T'F表示为： 因此，机器人发生刚度变形后，刀尖点处的坐标表示为： d通过计算机器人发生刚度变形前后的刀尖点坐标，计算得到刀尖点处的变形误差，由于变形误差数值与刀具的前倾角θL、侧倾角θT与机器人的冗余角γ相关，因此将其表示为： e在切触点处，计算刀具的进给方向与加工坐标系CCN，刀具加工坐标系原点为球头刀具的顶点，刀具的法线方向为CCN的z轴，切削进给方向为CCN的x轴，y轴的方向根据右手法则确定；并根据在当前切触点处的加工坐标系确定刀具的前倾角以及侧倾角方向，当前切触点处的加工坐标系CCN具体计算的方式为： f根据初始姿态下的切触区域计算当前切触点处的刀具切削边界，当前姿态下的刀具-工件切触区域沿着刀具轴向进行离散，表示为其中z为沿着刀具轴向的高度，φst和φex分别为在高度z上的切入角与切出角，通过每一层的切入角与切出角计算得到刀具的切削边界和具体计算公式如下： 其中R为球头刀的刀具半径；g当刀具沿着CCN的x、y和z轴分别旋转侧倾角θTT、前倾角θTL和冗余角θTγ时，计算刀具方向变化之后的切削边界，具体计算公式如下： 其中rotx,θTT、roty,θTL和rotz,θTγ分别表示绕x轴、y轴和z轴的旋转变换；h在得到刀具变化后的切削边界后，通过公式8重新计算沿着刀轴每一个切削层上的切入角与切出角，并通过如下公式计算切削力： i结合机器人几何学约束，确定机优化目标为刀尖点的变形误差H＝ktdi＝fθL,θT,γ，并构件约束函数，优化目标及约束条件的数学表达为： j通过粒子群优化算法对公式11进行优化，得到满足约束条件的刀具前倾角、侧倾角以及机器人冗余角，减小由于机器人铣削加工中的变形误差，提升机器人加工精度。

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百度查询： 华中科技大学 机器人球头刀铣削加工中的刀轴方向与冗余角优化方法