本發(fā)明涉及機(jī)器人操作及自動(dòng)化生產(chǎn)線，具體為一種刀具點(diǎn)空間位姿控制方法及刀具運(yùn)動(dòng)控制裝置。

背景技術(shù)：

1、刀具點(diǎn)空間位姿控制方法主要源于機(jī)械加工、機(jī)器人操作以及自動(dòng)化生產(chǎn)線領(lǐng)域?qū)Ω呔取⒏咝始庸ず途_操作的需求，隨著制造業(yè)的快速發(fā)展，對(duì)加工精度和表面質(zhì)量的要求日益提高，傳統(tǒng)的控制方法已經(jīng)難以滿足這些需求，因此，刀具點(diǎn)空間位姿控制方法應(yīng)運(yùn)而生，并逐漸成為解決這些問題的關(guān)鍵技術(shù)之一。

2、在機(jī)械加工過程中，機(jī)床由于長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行及外界溫度變化，會(huì)產(chǎn)生熱變形，導(dǎo)致機(jī)床各部件之間的相對(duì)位置發(fā)生變化，此外，機(jī)床的振動(dòng)也會(huì)隨著切削力的變化而波動(dòng)，這些變化都會(huì)直接影響刀具的精確位置，然而，現(xiàn)有的控制方法往往忽略了這些動(dòng)態(tài)變化因素，僅依賴于預(yù)設(shè)的固定參數(shù)進(jìn)行控制，無法實(shí)時(shí)補(bǔ)償這些變化導(dǎo)致的位置偏移，以此，缺乏動(dòng)態(tài)補(bǔ)償機(jī)制會(huì)導(dǎo)致刀具在加工過程中逐漸偏離預(yù)定的軌跡，影響加工精度和表面質(zhì)量，甚至可能引發(fā)刀具與工件之間的碰撞，造成設(shè)備損壞。

3、在機(jī)器人操作及自動(dòng)化生產(chǎn)線中，刀具的姿態(tài)對(duì)于加工質(zhì)量至關(guān)重要，然而，現(xiàn)有技術(shù)中的姿態(tài)調(diào)整方法往往過于簡(jiǎn)單，僅考慮幾個(gè)基本的姿態(tài)角參數(shù)，而忽略了刀具在復(fù)雜工況下姿態(tài)的細(xì)微變化，例如，在加工曲面及進(jìn)行復(fù)雜路徑運(yùn)動(dòng)時(shí)，刀具的姿態(tài)需要頻繁調(diào)整以適應(yīng)不同的加工需求，但現(xiàn)有方法無法準(zhǔn)確捕捉并調(diào)整這些細(xì)微的姿態(tài)變化，而姿態(tài)調(diào)整不精確會(huì)導(dǎo)致加工過程中的切削力分布不均，包括劇刀具磨損，降低加工效率，同時(shí)也會(huì)影響加工表面的光潔度和精度。

4、開環(huán)控制系統(tǒng)在發(fā)出控制指令后，不再對(duì)執(zhí)行結(jié)果進(jìn)行監(jiān)測(cè)和反饋，在刀具點(diǎn)空間位姿控制中，這意味著系統(tǒng)無法實(shí)時(shí)了解刀具的實(shí)際位置和姿態(tài)，也無法根據(jù)實(shí)時(shí)情況進(jìn)行調(diào)整，盡管有些系統(tǒng)配備了傳感器來監(jiān)測(cè)刀具位置，但這些傳感器往往只用于故障檢測(cè)及安全保護(hù)，并不參與控制過程的實(shí)時(shí)調(diào)整，如此一來，缺乏閉環(huán)反饋機(jī)制會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)無法及時(shí)糾正刀具位置和姿態(tài)的偏差，這些偏差會(huì)隨著時(shí)間的推移而逐漸累積，最終嚴(yán)重影響加工精度和穩(wěn)定性。

5、現(xiàn)有技術(shù)中的控制參數(shù)往往根據(jù)經(jīng)驗(yàn)及預(yù)設(shè)值進(jìn)行設(shè)置，并在整個(gè)加工過程中保持不變，然而，實(shí)際加工過程中會(huì)遇到各種復(fù)雜工況，包括材料硬度的變化、切削速度的調(diào)整，這些變化都需要對(duì)控制參數(shù)進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)整，但現(xiàn)有系統(tǒng)往往缺乏靈活調(diào)整參數(shù)的能力，無法根據(jù)實(shí)時(shí)工況進(jìn)行動(dòng)態(tài)優(yōu)化。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本發(fā)明的目的在于提供一種刀具點(diǎn)空間位姿控制方法，解決了上述背景技術(shù)中所提出的問題。

2、為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供如下技術(shù)方案，具體實(shí)現(xiàn)步驟如下：

3、利用系統(tǒng)設(shè)定模塊，確定刀具的刀具點(diǎn)在三維空間中的目標(biāo)位置坐標(biāo)(x1，y1，z1)；

4、基于目標(biāo)位置坐標(biāo)(x1，y1，z1)，并利用監(jiān)控反饋模塊，監(jiān)測(cè)得到因各種影響空間位姿因素而改變的偏移位置以及偏移量；

5、結(jié)合所述系統(tǒng)設(shè)定模塊最初設(shè)定的目標(biāo)位置坐標(biāo)(x1，y1，z1)與姿態(tài)角，最大偏移距離以及相關(guān)偏移的調(diào)節(jié)系數(shù)，且依次輸入數(shù)據(jù)處理模塊，輸出得到偏移程度，優(yōu)化后的姿態(tài)角以及最終坐標(biāo)軸；

6、利用驅(qū)動(dòng)模塊，驅(qū)動(dòng)刀具點(diǎn)移動(dòng)到指定的位置和姿態(tài)；

7、所述監(jiān)控反饋模塊將實(shí)時(shí)監(jiān)控刀具點(diǎn)的實(shí)際位置和姿態(tài)，并提供反饋信號(hào)給所述數(shù)據(jù)處理模塊，進(jìn)行實(shí)時(shí)控制調(diào)整；

8、所述數(shù)據(jù)處理模塊包括有動(dòng)態(tài)補(bǔ)償位置調(diào)整單元，姿態(tài)角優(yōu)化單元和綜合反饋與再調(diào)整單元。

9、可選的，所述目標(biāo)位置坐標(biāo)(x1，y1，z1)指代的是刀具的刀具點(diǎn)執(zhí)行移動(dòng)至切削任務(wù)過程中，任意一個(gè)移動(dòng)坐標(biāo)軸的目標(biāo)位置，具體如下：

10、設(shè)定所述目標(biāo)位置坐標(biāo)(x1，y1，z1)為刀具點(diǎn)進(jìn)行切削任務(wù)過程中的第一切削點(diǎn)，若第一切削點(diǎn)相對(duì)于目標(biāo)位置坐標(biāo)(x1，y1，z1)，產(chǎn)生位置和姿態(tài)的偏移，則經(jīng)數(shù)據(jù)處理模塊的調(diào)整，輸出得到最終調(diào)整后坐標(biāo)軸(xz，yz，zz)，并由所述驅(qū)動(dòng)模塊，驅(qū)動(dòng)刀具點(diǎn)移動(dòng)至最終調(diào)整后坐標(biāo)軸(xz，yz，zz)；

11、若第一切削點(diǎn)相對(duì)于目標(biāo)位置坐標(biāo)(x1，y1，z1)，未產(chǎn)生位置和姿態(tài)的偏移，則第一切削點(diǎn)到達(dá)目標(biāo)位置坐標(biāo)(x1，y1，z1)。

12、可選的，所述各種影響空間位姿因素包括有機(jī)床熱變形，振動(dòng)，磨損，控制系統(tǒng)誤差和外部干擾，因素的具體說明如下；

13、機(jī)床熱變形指機(jī)床在長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行后，各部件受熱不均，產(chǎn)生熱變形，導(dǎo)致刀具點(diǎn)位置偏移；

14、振動(dòng)指機(jī)床在加工過程中，由于切削力、不平衡的旋轉(zhuǎn)部件的原因，會(huì)產(chǎn)生振動(dòng)，導(dǎo)致刀具點(diǎn)位置不穩(wěn)定；

15、磨損指機(jī)床部件的磨損會(huì)逐漸改變刀具點(diǎn)的基準(zhǔn)位置；

16、控制系統(tǒng)誤差指數(shù)控系統(tǒng)的精度和穩(wěn)定影響刀具點(diǎn)的最終位置；

17、外部干擾包括車間內(nèi)的溫度變化、空氣流動(dòng)，對(duì)機(jī)床和刀具的影響。

18、可選的，所述系統(tǒng)設(shè)定模塊所用到的設(shè)備包括cam軟件；

19、所述監(jiān)控反饋模塊所用到的設(shè)備包括激光位移傳感器、編碼器和加速度計(jì)；

20、所述數(shù)據(jù)處理模塊所用到的設(shè)備包括微處理器及plc；

21、所述驅(qū)動(dòng)模塊所用到的設(shè)備包括數(shù)控系統(tǒng)，伺服電機(jī)及氣缸。

22、可選的，所述動(dòng)態(tài)補(bǔ)償位置調(diào)整單元的計(jì)算公式如下：

23、

24、

25、其中：

26、bt為與目標(biāo)接近程度評(píng)估值；

27、x1為目標(biāo)x軸，y1為目標(biāo)y軸，z1為目標(biāo)z軸，(x1，y1，z1)為目標(biāo)位置坐標(biāo)；

28、xp為偏移x軸，yp為偏移y軸，zp為偏移z軸，(xp，yp，zp)為偏移位置坐標(biāo)軸，(xp，yp，zp)反映由于機(jī)床熱變形，振動(dòng)，磨損，控制系統(tǒng)誤差和外部干擾因素而相對(duì)于(x1，y1，z1)的偏移位置；

29、反映偏移后刀具點(diǎn)位置到原點(diǎn)的歐幾里得距離；

30、t為調(diào)整因子，t反映偏移對(duì)位置精度的影響；

31、pmax為最大偏移距離值。

32、可選的，所述姿態(tài)角優(yōu)化單元的計(jì)算公式如下：

33、

34、op＝(x12+y12+z12)0.5；

35、其中：

36、θnew為優(yōu)化后姿態(tài)角；

37、a為姿態(tài)調(diào)整系數(shù)；

38、op為目標(biāo)與原點(diǎn)間距離值；

39、反映不考慮偏移時(shí)，原點(diǎn)出發(fā)到目標(biāo)位置的傾斜角；

40、根據(jù)偏移量、最大偏移距離值pmax、目標(biāo)與原點(diǎn)間距離值op和與目標(biāo)接近程度評(píng)估值bt來計(jì)算一個(gè)額外的姿態(tài)角調(diào)整量。

41、可選的，所述綜合反饋與再調(diào)整單元的計(jì)算公式如下：

42、(xz，yz，zz)＝(x1，y1，z1)+(xθp，yθp，zθp)；

43、xθp＝g*sin(θnew-θ1)-cosφ；

44、yθp＝g*sin(θnew-θ1)-sinφ；

45、zθp＝g*(1-cos(θnew-θ1))；

46、其中：

47、(xz，yz，zz)為最終調(diào)整后坐標(biāo)軸；

48、xθp為姿態(tài)角在x軸偏移值，xθp反映由于姿態(tài)角變化在x軸方向上導(dǎo)致的偏移量；

49、yθp為姿態(tài)角在y軸偏移值，yθp反映由于姿態(tài)角變化在y軸方向上導(dǎo)致的偏移量；

50、zθp為姿態(tài)角在y軸偏移值，zθp反映由于姿態(tài)角變化在z軸方向上導(dǎo)致的偏移量；

51、g為刀具點(diǎn)至旋轉(zhuǎn)軸距離值，刀具點(diǎn)即刀具的刀尖，旋轉(zhuǎn)軸即設(shè)定在刀具本身進(jìn)行姿態(tài)角變化的繞點(diǎn)旋轉(zhuǎn)中心；

52、θ1為初始姿態(tài)角；

53、φ為刀具旋轉(zhuǎn)軸與x軸之間夾角值；

54、刀具點(diǎn)至旋轉(zhuǎn)軸距離值g和刀具旋轉(zhuǎn)軸與x軸之間夾角值φ具體為機(jī)床及機(jī)器人結(jié)構(gòu)的特定參數(shù)。

55、可選的，基于所述綜合反饋與再調(diào)整單元的反饋調(diào)整步驟如下：

56、s1、利用所述驅(qū)動(dòng)模塊，將刀具點(diǎn)移動(dòng)至最終調(diào)整后坐標(biāo)軸(xz，yz，zz)；

57、s2、刀具點(diǎn)執(zhí)行切削任務(wù)過程中的第二切削點(diǎn)時(shí)，最終調(diào)整后坐標(biāo)軸(xz，yz，zz)為初始坐標(biāo)軸，并由最終調(diào)整后坐標(biāo)軸(xz，yz，zz)移動(dòng)至第二切削點(diǎn)的目標(biāo)位置坐標(biāo)(x1，y1，z1)；

58、s3、若移動(dòng)后刀具點(diǎn)偏離第二切削點(diǎn)的目標(biāo)位置坐標(biāo)(x1，y1，z1)，則利用所述數(shù)據(jù)處理模塊，實(shí)時(shí)控制調(diào)整刀具點(diǎn)空間位姿；

59、s4、若移動(dòng)后刀具點(diǎn)到達(dá)第二切削點(diǎn)的目標(biāo)位置坐標(biāo)(x1，y1，z1)，則第二切削點(diǎn)的目標(biāo)位置坐標(biāo)(x1，y1，z1)為第三切削點(diǎn)的初始坐標(biāo)軸。

60、可選的，所述微處理器及plc用于數(shù)據(jù)處理和控制指令的生成，伺服電機(jī)及氣缸作為執(zhí)行機(jī)構(gòu)，驅(qū)動(dòng)刀具點(diǎn)移動(dòng)，數(shù)控系統(tǒng)用于接收控制指令并控制機(jī)床及機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)，cam軟件用于設(shè)定目標(biāo)位置和生成數(shù)控程序。

61、與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果如下：

62、一、本發(fā)明通過實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)機(jī)床熱變形，振動(dòng)，磨損，控制系統(tǒng)誤差和外部干擾因素而導(dǎo)致的位置偏移，并設(shè)計(jì)動(dòng)態(tài)補(bǔ)償位置調(diào)整單元的動(dòng)態(tài)補(bǔ)償算法，實(shí)時(shí)調(diào)整刀具的等效位置距離，使其更接近目標(biāo)位置，這種方法有效提高了位置控制的精度和穩(wěn)定性。

63、二、本發(fā)明在位置調(diào)整的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步由姿態(tài)角優(yōu)化單元考慮姿態(tài)角變化，并通過引入姿態(tài)調(diào)整系數(shù)和循環(huán)影響機(jī)制，根據(jù)位置偏移量和目標(biāo)位置到原點(diǎn)的距離，動(dòng)態(tài)調(diào)整刀具的姿態(tài)角，確保刀具在移動(dòng)過程中始終保持最佳姿態(tài)。

64、三、本發(fā)明基于優(yōu)化后的姿態(tài)角，并考慮其對(duì)刀具位置的影響，由綜合反饋與再調(diào)整單元，通過計(jì)算姿態(tài)角變化導(dǎo)致的微小偏移量，并將其加到目標(biāo)位置坐標(biāo)上，得到最終的刀具點(diǎn)位置，這種方法實(shí)現(xiàn)了閉環(huán)控制，能夠?qū)崟r(shí)檢測(cè)并糾正偏差，確保刀具點(diǎn)能夠準(zhǔn)確到達(dá)目標(biāo)位置。

65、四、本發(fā)明通過引入動(dòng)態(tài)補(bǔ)償、姿態(tài)優(yōu)化和閉環(huán)反饋的機(jī)制，能夠根據(jù)具體工況動(dòng)態(tài)調(diào)整控制參數(shù)，提高了系統(tǒng)的適應(yīng)性和靈活性，同時(shí)，該方法還考慮了機(jī)床及機(jī)器人結(jié)構(gòu)的特定參數(shù)，確保了控制策略的針對(duì)性和有效性。