直线-旋转工作台高精度机器人加工姿态优化

《Precision Engineering》：Posture optimization for high-precision robot machining with linear-rotary stage

　　

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  通过在6轴关节机器人上增加一个3轴工作台，提出了一种9轴机器人加工系统。
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  利用运动学冗余进行机器人姿态优化，最大化刚度，以减少切削力引起的变形。
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  利用3轴工作台优化工件位置，在考虑变形的同时最小化关节角加速度。
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  与仅使用机器人运动学冗余优化相比，所提出的方法将总变形降低了11.5%，关节角加速度降低了41.5%。
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  变形实验证实变形最多减少了43.7%，验证了基于仿真的优化结果在实际系统上的有效性。

引言

近年来，对具有自由曲面的大型复杂形状部件（如航空发动机和风力涡轮机叶片）的自动化加工需求日益增加[1]。数控（CNC）机床主要用于这些部件的自动化加工，但其初始成本高，且由于加工范围有限，产品尺寸受到限制[2]。因此，工业机器人加工有望成为柔性制造的新平台[3]。这是因为机器人相比数控机床具有更低的初始成本和更灵活的运动能力[4]。此外，机器人工作范围宽广，能够轻松集成附加系统（如外部工作台），使其具有高度的可扩展性。

然而，工业机器人受到加工精度不足的制约。主要因素是工业机器人的刚度比数控机床低约100倍，这主要是由于其串联结构[5]。由于刚度低，切削力引起的机器人变形导致与目标形状之间的位置误差[6], [7]。此外，低刚度引起的颤振振动降低了表面质量[8]。

除了低结构刚度外，由机器人运动特性引起的误差也会影响加工精度。工业机器人使用多个旋转关节来移动末端执行器，因此末端执行器运动与关节角度之间存在非线性关系[9]。因此，加工过程中可能出现突然的角度变化，超过各关节的角速度限制。这会导致运动延迟从而降低加工精度，并可能引起故障[10]。此外，关节角加速度的大小影响惯性力引起的振动和机器人所需的能量[11], [12]。因此，降低关节角加速度本身是减少轮廓误差和节约能量的关键因素。

以往基于运动学冗余进行姿态优化的研究已提高了刚度并降低了关节角加速度。加工中常用的机器人具有六个自由度（DoF）。然而，确定末端执行器的位置和方向需要五个自由度。因此，工业机器人可以绕末端执行器轴改变自身姿态，如图1所示。这意味着机器人姿态可以改变而不影响工具中心点（TCP）和刀具方向。这种运动学冗余被称为冗余自由度。许多研究利用该冗余自由度进行姿态优化，实现了提高刚度和减少关节角度突变的效果[13], [14], [15], [16]。

考虑机器人姿态可以提高加工精度。然而，在由关节机器人组成的加工系统中，单一冗余自由度是唯一可以改变机器人姿态的参数。因此，机器人姿态受到依赖于工件位置的处理路径的约束，这极大地限制了可能的机器人姿态集合。Huseyin等人报告称，机器人刚度随冗余自由度显著变化[17]。此外，刚度高度依赖于机器人工作位置，而该位置由工件位置决定。因此，考虑工件位置的姿态优化有望提高精度。以往的研究中，研究人员通过优化工件位置，使机器人在加工过程中处于高刚度姿态，从而实现精密加工[18]。然而，由于未考虑机器人的冗余自由度，精度的进一步提升仍然是可能的。

本研究提出了一种利用9轴系统进行高精度加工的姿态优化方法，该9轴系统通过在6轴关节机器人上增加线性运动和旋转运动的X-Y-C 3轴工作台构建。利用基于机器人冗余自由度的姿态优化来最大化刚度。同时，利用3轴工作台在考虑变形的情况下，确定最小化加工过程中关节角加速度的最优工件位置。此外，通过仿真和实验验证了所提出方法的有效性。

本文其余部分组织如下。第2节概述了9轴机器人加工系统。第3节解释了9轴系统中的姿态优化方法。第4节仿真、第5节实验结果通过仿真和实验验证了所提出的优化方法在变形和关节角方面的有效性。

章节摘要

9轴机器人加工系统概述与冗余自由度

图2展示了所提出的9轴机器人加工系统。该系统由一台6轴关节机器人与一个在x-y平面平移并绕z轴旋转的3轴工作台组合而成。

在机器人加工中，需要5个自由度来确定末端执行器的位置[x, y, z]和刀具方向（刀具轴方向）[α, β]。因此，6轴关节机器人具有1个绕末端执行器轴的冗余自由度。在本研究中，冗余角度定义为x轴与

9轴机器人加工系统中的优化

本节描述了利用所提出的9轴机器人加工系统中4个冗余自由度的优化策略。通过利用机器人的冗余自由度来最大化刚度确定机器人姿态，同时利用工作台的冗余自由度来抑制突变的关节角加速度确定工件位置。

在机器人加工中，切削力引起的变形被认为是轮廓误差的主导因素[19], [20]。因此，静

仿真条件

为验证利用9轴机器人加工系统冗余自由度进行机器人姿态优化和工件位置优化的有效性，进行了仿真研究。仿真使用DENSO VS-068 6轴关节机器人，刚体连杆模型中使用的关节刚度值列于表1中[28]。关节刚度值是根据作用在各关节上的力矩与角位移之间的关系确定的

实验结果

第4节通过仿真确认了所提出方法在冗余自由度优化方面的有效性。因此，本节通过实验验证了第4.2.1节中"优化"、"仅工件位置优化"和"未优化"三种条件下获得的机器人姿态的变形减少效果。

图16(a)展示了实验装置的整体情况，图16(b)展示了变形测量系统。仿照刀具的末端执行器安装在机器人上。准静态

结论

本研究提出了一种利用冗余9轴系统进行机器人加工精度提升的姿态优化方法。所提出的方法结合了两种类型的优化：(1)机器人姿态优化，利用机器人的冗余自由度最大化刚度；(2)工件位置优化，利用额外的3轴工作台最小化关节角加速度。通过仿真和实验验证了所提出方法的有效性：仿真

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