專利名稱：用于機器人修磨系統的面向空間曲面加工的在位測量方法
技術領域：
本發明屬于砂帶磨削加工領域，特別涉及機器人修磨系統中面向高精度復雜曲面加工的在位測量方法。
背景技術：
在機械加工中，磨削應用范圍廣范，在某些條件下往往只能采用磨削進行加工，比如表面粗糙度要求高或硬質材料等。磨削主要分為砂輪磨削和砂帶磨削。與砂輪磨削相比，砂帶磨削切削時的散熱性較好，被加工面不易燒傷，表面冷硬程度和殘余應力較小。同時，由于砂帶和磨削接觸輪有一定的彈性，砂帶磨削更易于與加工面貼服，往往更適用于曲面加工。因此砂帶磨削和砂輪加工一樣，在機械加工領域中占有重要的地位。砂帶磨削在航空航天、國防、電力、船舶、醫療等多個領域具有廣泛的應用背景，例如，渦輪機、船舶推進器、風力發電機等設備的葉片的加工。在日用產品中加工中，應用更是廣泛，例如，各種貴術裝飾品、人造關節、家庭裝飾用品(水暖件、燈具等)、樂器和數碼產品的外表面加工等。國內外對于復雜曲面工件的砂帶磨削加工，主要有基于普通砂帶磨床的手工磨削、專用磨削機床和數控磨削機床等。基于普通砂帶磨床的手工磨削費時且勞動強度大，加工成品率低，產品一致性差，對工人的技藝、經驗等要求高；專用磨削機床通用性不好，適用范圍窄，往往只適合大批量生產；數控磨削機床成本高，缺乏柔性，可拓展范圍小。近年來，隨著工業機器人技術的發展和勞動力成本的不斷上升，以機器人作為平臺的加工方式引起了關注。機器人修磨指以串聯式工業機器人作為工件移動平臺，在高速旋轉的砂帶上進行磨削的加工方式。與市場上較為典型的五軸磨削加工機床相比，機器人修磨系統具有靈活性高、通用性強、易于擴展等優點，而且由于系統基于通用設備，造價和加工成本大大低于專用機床。機器人修磨系統一般包括如下幾個部分(1)砂帶機帶動砂帶做高速旋轉，實現對工件進行磨削，實現砂帶轉速、砂帶張緊力、甚至磨削力等磨削參數的設置或控制；(2)機器人一般為串聯式工業機器人，腕部往往安裝六維力傳感器，用于作為工件的移動平臺，可以控制磨削工件與砂帶的接觸力及工件加工速度；(3)測量系統用于測量工件待加工面的形貌(比如曲率)和磨削量，測量系統可以是接觸式的，比如掃描探針，或者非接觸式的，比如激光掃描設備；(4)數據處理計算機對測量系統數據、機器人路徑數據、力反饋數據等進行處理。目前，面向復雜曲面的機器人砂帶磨削系統多用于打磨或拋光等不需要準確考慮磨削量的場合，需要精確考慮磨削量的機器人修磨系統仍處于實驗室研究階段。在研究和試用中發現，由于砂帶和接觸輪帶有彈性，砂帶磨削是一種非剛性加工，不能簡單通過進給量來實現磨削量的控制，磨削量受磨削力、砂帶轉速、工件速度、砂帶老化程度、工件材料、加工面表面形貌等多種因素影響，其中部分因素無法準確測控，這使得磨削量的精確控制往往只能通過多次磨削來逼近。因此，每磨削一次之后，需要對工件進行在位測量來決定下一次的磨削量。所以，在位測量的精度直接影響最后的加工能達到的精度。
部分已有的機器人修磨系統采用了在位測量技術，但是在位測量的過程中，往往直接通過機器人移動工件去完成整個加工面的測量。考慮到工業機器人的絕對精度往往大于1mm，重復精度一般也大于0. Imm;同時由于慣性力和工件重量等因素的影響，機器人在負載工件運動時容易產生振顫；此外，機器人基坐標系與測量坐標系間存在標定誤差，這些誤差影響因素都最終體現于在位測量結果中，使得在位測量的精度難以進一步提高。為了提高工件坐標系與機器人末端坐標系間的映射精度，機器人末端必須使用高精度的專用夾具，這對機器人修磨系統的柔性會帶來影響。發明內容
本發明的目的是針對上述現有技術存在的不足，提出一種用于機器人修磨系統的面向空間曲面加工的在位測量方法，可解決工業機器人運動誤差、運動振顫、標定精度等對測量精度的影響，同時該方法不需要使用高精度專用夾具，采用多次修磨逼近的方法，可使整個機器人修磨系統達到更高的加工精度。
該方法的特征在于當機器人移動工件至測量工位后，在整個測量過程中，機器人停止不動，保持工件位姿不變，通過測量平臺的運動來完成不同檢測點的測量。為了便于與設計的標準模型做比較求取磨削量，也為了建立工件坐標系與機器人末端坐標系的映射關系，在工件修磨前需要加工三個不在同一平面的基準平面。該方法的技術方案可用通過以下步驟實現
1)首先結合設計要求設定或加工出兩兩不同向的三個基準平面，然后把待加工的工件固定于機器人末端夾具上，并使該工件在整個加工、測量中在機器人末端夾具上的位置不變；
2)對工件進行一次加工，本次加工完成后，機器人移動工件至測量工位；
3)在測量工位上對工件的加工曲面進行測量，在一個完整的測量過程中機器人保持不動，通過測量系統的運動完成工件的測量；主要步驟如下
i)測量系統通過移動非接觸式或接觸式測量探頭，對三個基準平面和整個待加工曲面進行測量，得到測量坐標系{M}中的點云數據；
ii)對點云數據進行處理，得到三個基準平面的方程，并進一步求出三個基準平面的相交點，及三條相交直線，以相交點為原點、三條相交線為坐標軸建立仿射坐標系{W}作為工件坐標系，求出測量坐標系{M}與工件坐標系{W}的映射關系MWT;
iii)通過映射關系MWT把測量坐標系{M}中的點云數據轉換為工件坐標系{W}中的數據，并與工件的加工目標尺寸做比較，得到工件曲面上待加工點的磨削量；
iv)規劃磨削路徑，計算磨削點曲率；
ν)計算工件坐標系{W}與機器人末端坐標系In}的映射關系
；T =J1T·.···；T·.···1OT^TCT
其中，=T為測量坐標系至機器人基坐標系的映射關系；尸為機器人桿件j坐標系至桿件i坐標系的映射關系，1彡i彡n、0彡j彡Π-1 ；
4)根據測量結果判斷工件是否滿足設計要求的加工精度，若工件合格，則結束加工過程；否則機器人把工件移動至加工工位，轉步驟幻進行下一次加工。
本發明的主要特點在于，該方法的磨削量測量精度只和測量系統精度相關，與機器人運動誤差、工件夾具和測量坐標系至機器人基坐標系的標定誤差無關，這樣可以顯著提高測量精度。目前，接觸式的或非接觸式的三維坐標測量機(CMM)的精度一般可到微米級，甚至更高。基于三維坐標測量機應用該方法進行在位測量，磨削量的測量精度可達十幾微米，甚至幾微米。從整個修磨系統的角度，機器人運動精度、測量坐標系至機器人基坐標系的標定誤差和磨削坐標系至機器人基坐標系的標定誤差只和修磨加工路徑控制相關。考慮到，系統可采用多次逼近的修磨方法，同時曲面加工精度往往更側重于加工點法向去除量，所以采用該在位測量方法可使機器人修磨系統的修磨精度提高一個數量級(由幾百微米提高至幾十微米)以上。


圖1為采用本發明方法的與夾具聯接的待加工葉片示意圖。
具體實施方式
結合附圖和具體實施方式
，以渦輪機葉片為例，通過與已有方法的對照，對本發明提出的方法作進一步詳細說明。
本發明方法采用的機器人砂帶修磨系統中，用多自由度三坐標測量機代替了固定的接觸式或非接觸式檢測頭，在一次完整的工件測量中，工件保持不動，通過坐標測量機的檢測頭移動完成測量。機器人磨削系統可分成三大部分1)砂帶磨削系統，由砂帶磨削機、 砂帶磨削機控制器組成；幻機器人系統，一般由串聯式工業機器人、機器人控制器及其相關傳感器(比如力傳感器等)組成；幻測量系統，由三維坐標測量機及數據處理計算機組成，數據處理計算機還和磨削機控制器、機器人控制器進行通信。待磨削工件通過夾具與機器人的末端連接。
本發明方法中，設，與磨削機底座固連的坐標系為工具坐標系{T}，與坐標測量機底座固連的坐標系為測量坐標系{M}，而機器人由η個桿件構成(η為正整數)，其基坐標系為{0}，桿件的坐標系為{1}，以此類推，機器人末端坐標系為In}。
本發明提出了一種在位測量方法，其特征及實現的關鍵就在于選擇可測量的三個平面作為基準建立工具坐標系，直接建立測量空間坐標系與工件坐標系的映射關系，使待加工曲面的磨削量的測量不受=T、^1T …·#和wnT的影響。而在位測量系統的精度決定了機器人修磨系統可能達到的加工精度。
下面，結合圖1說明工件坐標系基準平面的選擇、工件坐標系建立方法和工件坐標系與測量坐標系映射關系的建立方法。
圖1為一個實際的渦輪機葉片。為保持流體具有均勻的軸向速度、確保流場穩定、 減少流體能量損失，渦輪機葉片從葉根到葉尖，扭角是變化的，從而造成葉片型面是一個不規則的空間曲面。在圖1中，4為待加工的不規則復雜曲面。修磨中，待磨曲面需要和加工目標尺寸作比較，以求得磨削量；同時，需要描述工件與機器人末端坐標的映射關系，用于機器人修磨路徑規劃，所以需要定義工件坐標系{W}。
本發明對上述渦輪機葉片采用的方法是1)在修磨前，根據設計需要并結合后階段加工工藝，設定工件上三個不在同一平面的平面1、2和3為基準平面(盡可能選擇相互垂直或接近垂直的平面)，對于圖1所示工件，可選擇待加工的葉片4根部榫頭上的平面1、2和3為基準平面；然后把待加工的工件固定于機器人末端夾具上，并使該工件在整個加工、測量中在機器人末端夾具上的位置不變；2)對工件進行一次加工，本次加工完成后，，機器人將葉片工件移動至測量工位；3)在測量工位上對工件的加工曲面進行測量，在一個完整的測量過程中機器人保持不動，通過測量系統的運動完成工件的測量；測量過程如下i)用三坐標測量機對三個基準平面和整個待加工的葉片曲面進行測量，獲得測量坐標系{M}中該葉片的點云數據；ii)通過最小二乘擬合等方法對點云數據進行處理，求取平面1、2和3的解析式， 進一步可求取這三個平面的交線owxw、owYw和0WZW。以點Ow為原點、三條相交線owxw、owYw和 OwZw為坐標軸，建立工件坐標系{W}。{W}為一個仿射坐標系，{W}中的任意一點Pw都可以由一個仿射坐#w(xP，yP，Zp)唯一確定，并且滿足式
」w
xWuWXv 1WuWZwuWxO,Vx yxW"^ow^Yw"^owZ iW"^owZx xW~Zow1W"zOwzZ 厶W~ZowzO10001 OwPw = Xp · OwXw + 辦· OwYw + Zp · OwZ,
一般地，可取0WXW、OffYff和OwZw的長度為1，則在坐標系{W}中點0W、Xw、Yff和Zw的坐標為(0，0，0)、(1,0,0), (0,1,0)和(0，0，1)。設 0W、Xw、Yw 和 Zw 在測量坐標系{M}中的坐標分別為M(x。w，_y。w，z。w)、M(xXw’w)、M(xYw,_yYw，zYw;^nM(xZw，_yZw，zZw)，則從工件坐標系{W}到測量坐標系的映射矩陣為 WT iii)取仿射坐標系{W}為工件標準幾何模型的參考坐標系，假設工件上任意一點 P經過測量后得到坐標為MP，則可以通過映射wP = (^rT)-1.mP轉化為工件坐標系{W}中的坐標，通過和加工目標尺寸比較后，便可求得磨削量。 從實際系統實驗結果來看，本發明所提出方法相比于已有系統可提高修磨精度一個數量級，甚至更高。iv)規劃磨削路徑，并計算磨削點曲率；ν)利用已知的機器人動力學模型和ii)中求得的=T，求取工件坐標系{W}與機器人末端坐標系In}的映射關系；T =J1T·.···；T·.···1OT^TCT其中，^T為測量坐標系至機器人基坐標系的映射關系；為機器人桿件j坐標系至桿件i坐標系的映射關系，1彡i彡n、0彡j彡n-14)根據測量結果判斷工件是否滿足設計要求的加工精度，若工件合格，則結束加工過程；否則機器人把工件移動至加工工位，轉步驟幻進行下一次加工。
權利要求
1. 一種用于機器人修磨系統的面向空間曲面加工的在位測量方法，其特征在于包括以下步驟1)首先結合設計要求設定或加工出兩兩不同向的三個基準平面，然后把待加工的工件固定于機器人末端夾具上，并使該工件在整個加工、測量中在機器人末端夾具上的位置不變；2)對工件進行一次加工，本次加工完成后，機器人移動工件至測量工位；3)在測量工位上對工件的加工曲面進行測量，在一個完整的測量過程中機器人保持不動，通過測量系統的運動完成工件的測量；主要步驟如下i)測量系統通過移動非接觸式或接觸式測量探頭，對三個基準平面和整個待加工曲面進行測量，得到測量坐標系{M}中的點云數據； )對點云數據進行處理，得到三個基準平面的方程，并進一步求出三個基準平面的相交點，及三條相交直線，以相交點為原點、三條相交線為坐標軸建立仿射坐標系{W}作為工件坐標系，求出測量坐標系{M}與工件坐標系{W}的映射關系MWT;iii)通過映射關系MWT把測量坐標系{M}中的點云數據轉換為工件坐標系{W}中的數據，并與工件的加工目標尺寸做比較，得到工件曲面上待加工點的磨削量；iv)規劃磨削路徑，計算磨削點曲率；ν)計算工件坐標系{W}與機器人末端坐標系In}的映射關系η τ" η τ"i τ"1 τ 0 τ M τ■ = ■····· ■····· I · I · IWa η-1 α；· αOiMiWi其中，=τ為測量坐標系至機器人基坐標系的映射關系；yr為機器人桿件j坐標系至桿件i坐標系的映射關系，1彡i彡n、0彡j彡Π-1 ；4)根據測量結果判斷工件是否滿足設計要求的加工精度，若工件合格，則結束加工過程；否則機器人把工件移動至加工工位，轉步驟2~)進行下一次加工。
全文摘要
本發明提供一種機器人修磨系統中面向高精度復雜曲面加工的在位測量方法，屬于砂帶磨削加工領域，該方法的主要步驟包括選擇和加工三個基準平面、測量系統在工件不動的條件下完成工件的測量、求取測量坐標系與工件坐標系的映射關系、求取磨削量和曲率、求取工件坐標系至機器人末端坐標系的映射關系、機器人運動路徑規劃、控制磨削參數完成磨削。本發明可用于解決已有系統中在位測量精度難以提高的問題，同時降低對夾具精度的要求，提高現有機器人修磨系統的精度。
文檔編號B24B49/04GK102501172SQ20111037359
公開日2012年6月20日 申請日期2011年11月22日 優先權日2011年11月22日
發明者呂洪波, 孫曉民, 宋亦旭 申請人:清華大學