一种五自由度混联机器人模具抛光系统及方法
阅读说明：本技术 一种五自由度混联机器人模具抛光系统及方法 (Five-degree-of-freedom hybrid robot mold polishing system and method ) 是由 肖聚亮 张通 黄田 刘海涛 孙誉博 于 2020-06-30 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种五自由度混联机器人模具抛光方法,该方法为：基于模具的三维CAD模型图,导出刀触点的位置坐标,设S<Sub>ij</Sub>为第i条轨迹线段上的第j个刀触点,以刀触点{S<Sub>ij</Sub>,S<Sub>ij+1</Sub>,S<Sub>i-1j</Sub>}、{S<Sub>ij</Sub>,S<Sub>i-1j</Sub>,S<Sub>ij-1</Sub>}、{S<Sub>ij</Sub>,S<Sub>ij-1</Sub>,S<Sub>i+1j</Sub>}、{S<Sub>ij</Sub>,S<Sub>i+1j</Sub>,S<Sub>ij+1</Sub>}组成四个相邻的三角形,求得每个三角形的单位法向量<Image he="91" wi="498" file="DDA0002563772550000011.GIF" imgContent="drawing" imgFormat="GIF" orientation="portrait" inline="no"></Image>设向量<Image he="80" wi="82" file="DDA0002563772550000012.GIF" imgContent="drawing" imgFormat="GIF" orientation="portrait" inline="no"></Image>的中点为H<Sub>1</Sub>,设<Image he="82" wi="82" file="DDA0002563772550000013.GIF" imgContent="drawing" imgFormat="GIF" orientation="portrait" inline="no"></Image>的中点为H<Sub>2</Sub>,设向量<Image he="82" wi="98" file="DDA0002563772550000014.GIF" imgContent="drawing" imgFormat="GIF" orientation="portrait" inline="no"></Image>的中点为O,设S<Sub>ij</Sub>的单位法向量为n<Sub>ij</Sub>近似为<Image he="159" wi="121" file="DDA0002563772550000015.GIF" imgContent="drawing" imgFormat="GIF" orientation="portrait" inline="no"></Image>由此获得刀触点的姿态数据。本发明还公开了一种五自由度混联机器人模具抛光系统。本发明可以精确地确定机器人抛光器具的位姿数据及刀位点轨迹。(The invention discloses a polishing method for a five-degree-of-freedom hybrid robot mold, which comprises the following steps: deriving position coordinates of the tool contact based on the three-dimensional CAD model drawing of the mould, and setting S ij For the jth knife contact on the ith trace segment, with knife contact { S ij ，S ij+1 ，S i‑1j }、{S ij ，S i‑1j ，S ij‑1 }、{S ij ，S ij‑1 ，S i+1j }、{S ij ，S i+1j ，S ij+1 Four adjacent triangles are formed, and the unit normal vector of each triangle is obtained Let vector quantity Has a midpoint of H 1 Is provided with Has a midpoint of H 2 Let a vector The midpoint of (A) is O, set to S ij Has a unit normal vector of n ij Is approximated to Attitude data of the blade contact is thus obtained. The invention also discloses a five-degree-of-freedom hybrid robot mold polishing system. The invention can accurately determine the pose data and the tool location point track of the robot polishing tool.)
技术领域
本发明涉及一种模具抛光系统及方法，特别涉及一种五自由度混联机器人模具抛光系统及方法。
背景技术
抛光是一种常见的机械精加工，其重要目的是达到所要求的表面粗糙度。通过抛光加工不仅可以增加被抛光表面的光洁度，还能够提高表面质量，改善局部的应力集中现象。
模具表面多为复杂的自由曲面，因此在目前的模具抛光中，大多数企业还是处于工人手工抛光阶段，因此存在加工效率低下，模具加工精度较低，表面质量的一致性难以保证的缺点，而且加工质量十分依赖于技术工人的经验和技巧，很难达到技术要求。而机器人抛光便可代替人工完成抛光的相应工作，以获得符合要求的工件表面粗糙度。实质上机器人抛光技术相当于对加工技术人员的经验和技巧进行数字化、定量化，通过控制系统来控制抛光头运动。机器人抛光技术采用抛光头进行加工，一方面可以实现与加工工件面型的良好吻合，另一方面可以充分发挥混联机器人重复定位精度高，执行速度快的优点。由于模具多为复杂的自由曲面，难以精确地确定机器人抛光器具如抛光盘或抛光轮等的位姿数据及刀位点轨迹，导致无法加工出较好的模具表面。
发明内容
本发明为解决公知技术中存在的技术问题而提供一种精确地确定机器人抛光器具的位姿数据及刀位点轨迹的五自由度混联机器人模具抛光系统及方法。
本发明为解决公知技术中存在的技术问题所采取的技术方案是：一种五自由度混联机器人模具抛光方法，该方法包括如下步骤：
步骤1，基于模具的三维CAD模型图，建立工件坐标系；定义抛光器具与工件的接触点为刀触点，刀触点轨迹包括若干条轨迹线段，设Li为第i条轨迹线段，i＝1,2,3,…,m；L1～Lm在工件坐标系的XY平面上的投影为相互平行的直线；设Sij为第i条轨迹线段上的第j个刀触点，j＝1,2,3,…,n；由三维CAD模型图导出刀触点Sij的位置坐标；
步骤2，取第i条轨迹线段上第j-1个刀触点Sij-1、第j个刀触点Sij、第j+1个刀触点Sij+1，取第i-1条轨迹线段上第j个刀触点Si-1j，取第i+1条轨迹线段上第j个刀触点Si+1j，i＝2,3,…,m-1，j＝2,3,…,n-1；分别以{Sij，Sij+1，Si-1j}、{Sij，Si-1j，Sij-1}、{Sij，Sij-1，Si+1j}、{Sij，Si+1j，Sij+1}为三角形顶点，对应组成四个相邻的三角形，求得每个三角形的单位法向量设向量的中点为H1，设的中点为H2，设向量的中点为O，设Sij的单位法向量为nij，则nij近似为
步骤3，定义抛光器具的中心为刀位点，将刀触点的位置及姿态数据，转变为混联机器人控制系统能够识别的刀位点的位置和姿态数据。
进一步地，步骤3之前还包括如下步骤：计算相邻两条刀触点轨迹线段Li和Li+1中具有相同X坐标值的两点的法向量夹角，设这些法向量夹角的最大值为θmax，当θmax大于给定阈值时，保留Li+1中的刀触点，反之则删除Li+1中的刀触点。
进一步地，步骤3之前还包括如下步骤：取刀触点轨迹线段Li上的相邻三个轨迹点Sij-1、Sij、Sij+1，j＝2,3,…,n-1；计算点Sij到线段Sij-1Sij+1的距离，设点Sij到线段Sij-1Sij+1的距离为d，若d小于给定阈值，则保留刀触点Sij，反之则删除刀触点Sij。
进一步地，步骤3包括如下分步骤：
步骤3-1，设α为刀触点Sij处抛光器具的轴线绕工件坐标系X轴旋转的角度，设β为刀触点Sij处抛光器具的轴线绕工件坐标系Y轴旋转的角度；则有：
由步骤2获得的刀触点Sij法向量来求得α和β值；
设矩阵K为刀触点Sij的位置及姿态矩阵，其矩阵表达式为：
式中，Px,Py,Pz对应为刀触点Sij在工件坐标系中的X、Y、Z坐标；
步骤3-2，设刀触点Sij的单位法向量绕工件坐标系Y轴旋转一个角度Ψ，沿Z轴方向移动抛光器具半径r的距离，成为对应刀触点Sij的刀位点的单位法向量；设Q为对应刀触点Sij的刀位点的位置和姿态的矩阵，则有Q＝K×T，其中T为转换矩阵：
步骤3-3，将矩阵Q转变为混联机器人控制系统能够识别的刀位点的位置坐标和姿态数据，并进一步生成刀位点的轨迹点文件。
进一步地，在生成刀位点的轨迹点文件中加入机器人启停、进给速度及插补指令，形成完整的加工文件，将加工文件拷贝到机器人控制系统中。
进一步地，步骤3还包括如下步骤：建立工件坐标系与机器人末端坐标系之间的联系，将机器人末端坐标系的原点偏移到工件坐标系原点的位置，并将偏移量存入机器人控制系统。
进一步地，轨迹线段的间距≤6mm。
本发明还提供了一种实施上述的五自由度混联机器人模具抛光方法的五自由度混联机器人模具抛光系统，包括：混联机器人本体及安装在混联机器人本体上的浮动主轴，浮动主轴上安装有抛光盘，浮动主轴的轴线垂直于抛光盘的表面。
进一步地，浮动主轴为气动浮动主轴，混联机器人本体上还设有比例调压阀，气动浮动主轴通过比例调压阀与气源连通。
进一步地，抛光盘的基材为砂纸、羊毛或鹿皮。
本发明具有的优点和积极效果是：
本发明所提出的模具抛光方法，可以精确地确定机器人抛光器具的位姿数据及刀位点轨迹，抛光时可使刀轴矢量与轨迹点法矢成一定角度，且由于采用的软质抛光轮，使得对抛光轮施加一定压力后，抛光轮由点抛光变为面抛光，从而可以明显消除刀纹，大大提高了模具表面加工质量。
本发明采用5自由度混联机器人进行加工，机器人可达工作空间大，重复定位精度高，
本发明采用自适应调整轨迹线段间距，在保证加工精度的前提下又保证了加工效率。
本发明采用气动浮动主轴实现恒力抛光，改善了抛光表面质量差，一致性差的问题，提高了抛光表面质量和精度。
附图说明
图1为一种五自由度混联机器人模具抛光系统结构示意图；
图2为工件的刀触点轨迹示意图；
图3为抛光盘抛光示意图。
图中，1-工作台，2-模具，3-抛光盘，4-浮动主轴，5-混联机器人本体，6-控制系统，7-控制柜。
Ψ为刀触点的单位法向量绕工件坐标系Y轴旋转的角度，r为抛光器具半径。
具体实施方式
为能进一步了解本发明的发明内容、特点及功效，兹列举以下实施例，并配合附图详细说明如下：
请参见图1至图3，一种五自由度混联机器人模具抛光方法，该方法包括如下步骤：
步骤1，采用三维CAD软件建立模具2的三维模型，基于模具2的三维CAD模型图，建立工件坐标系；可通过Por/E、MasterCAM、UG、CAXA制造工程师等三维制图软件建立模具2的三维模型，在三维模型图中设置与工件坐标系X轴平行的抛光路径，然后直接由三维制图软件导出抛光路径中的各刀触点在工件坐标系下的位置坐标。
可采用抛光盘、抛光轮等抛光器具抛光模具2，定义抛光器具与工件的接触点为刀触点，刀触点轨迹包括若干条轨迹线段，设Li为第i条轨迹线段，i＝1,2,3,…,m；L1～Lm在工件坐标系的XY平面上的投影为相互平行的直线；设Sij为第i条轨迹线段上的第j个刀触点，j＝1,2,3,…,n；由三维CAD模型图导出刀触点Sij的位置坐标；设刀触点位置坐标表示为Sij(X，Y，Z),其中X为机器人坐标系X轴值,Y为机器人坐标系Y轴值,Z为机器人坐标系Z轴值。
步骤2，取第i条轨迹线段上第j-1个刀触点Sij-1、第j个刀触点Sij、第j+1个刀触点Sij+1，取第i-1条轨迹线段上第j个刀触点Si-1j，取第i+1条轨迹线段上第j个刀触点Si+1j，i＝2,3,…,m-1，j＝2,3,…,n-1；分别以{Sij，Sij+1，Si-1j}、{Sij，Si-1j，Sij-1}、{Sij，Sij-1，Si+1j}、{Sij，Si+1j，Sij+1}为三角形顶点，对应组成四个相邻的三角形，求得每个三角形的单位法向量
步骤3，定义抛光器具的中心为刀位点，将刀触点的位置及姿态数据，转变为混联机器人控制系统6能够识别的刀位点的位置和姿态数据。
进一步地，步骤3之前还可包括如下步骤：计算相邻两条刀触点轨迹线段Li和Li+1中具有相同X坐标值的两点的法向量夹角，i＝1,2,…,m-1；设这些法向量夹角的最大值为θmax，当θmax大于给定阈值时，保留Li+1中的刀触点，反之则删除Li+1中的刀触点。通过删减刀触点轨迹线段，实现行距的自适应调整，在保证加工精度的前提下，又能保证加工效率。
进一步地，步骤3之前还可包括如下步骤：取刀触点轨迹线段Li上的相邻三个轨迹点Sij-1、Sij、Sij+1，i＝1,2,3,…,m；j＝2,3,…,n-1；计算点Sij到线段Sij-1Sij+1的距离，设点Sij到线段Sij-1Sij+1的距离为d，若d小于给定阈值，则保留刀触点Sij，反之则删除刀触点Sij。通过删减轨迹线段中的刀触点，可以去除轨迹的冗余点，实现数据简化，提高加工效率。
进一步地，步骤3可包括如下分步骤：
步骤3-1，设α为刀触点Sij处抛光器具的轴线绕工件坐标系X轴旋转的角度，设β为刀触点Sij处抛光器具的轴线绕工件坐标系Y轴旋转的角度；则有：
由步骤2获得的刀触点Sij法向量来求得α和β值。
设矩阵K为刀触点Sij的位置及姿态矩阵，其矩阵表达式为：
式中，Px,Py,Pz对应为刀触点Sij在工件坐标系中的X、Y、Z坐标。
步骤3-2，设刀触点Sij的单位法向量绕工件坐标系Y轴旋转一个角度Ψ，沿Z轴方向移动抛光器具半径r的距离，成为对应刀触点Sij的刀位点的单位法向量；设Q为对应刀触点Sij的刀位点的位置和姿态的矩阵，则有Q＝K×T，其中T为转换矩阵：
步骤3-3，将矩阵Q转变为混联机器人控制系统6能够识别的刀位点的位置坐标和姿态数据，并进一步生成刀位点的轨迹点文件。
生成的轨迹点的主轴矢量与模具2曲面离散点的法向量相差一个固定角Ψ，另外再通过控制浮动主轴4气缸压力的恒定来保证加工过程中压力的恒定，以便更好地保证工件的加工质量。
进一步地，可在生成刀位点的轨迹点文件中加入机器人启停、进给速度及插补指令，形成完整的加工文件，将加工文件拷贝到机器人控制系统6中。
进一步地，步骤3还可包括如下步骤：建立工件坐标系与机器人末端坐标系之间的联系，将机器人末端坐标系的原点偏移到工件坐标系原点的位置，并将偏移量存入机器人控制系统6。
进一步地，轨迹线段的间距可≤6mm。轨迹线段的间距，指相邻两轨迹线段在工件坐标系的XY平面上的投影线段间的间距，同一条轨迹上的相邻两点的直线距离定义为步长，轨迹线段的间距和步长设置的尺寸小，可使求得的法向量更精确，提高复杂曲面的加工精度。
本发明还提供了一种采用上述的五自由度混联机器人模具抛光方法的五自由度混联机器人模具抛光系统实施例，系统包括：混联机器人本体5，控制混联机器人本体5运转的控制系统6，安装在混联机器人本体5上的浮动主轴4，浮动主轴4上安装有抛光盘3，浮动主轴4的轴线垂直于抛光盘3的表面。控制系统6设置在控制柜7内，模具2放在工作台1上。
浮动主轴4可为气动浮动主轴，混联机器人本体上还可设有比例调压阀，气动浮动主轴通过比例调压阀与气源连通。通过控制系统6调节比例阀压力，从而控制浮动主轴4气缸压力和主轴的转动压力。气动浮动主轴为空气加压式浮动主轴,通过调节空气压力改变浮动主轴4气缸压力和主轴的转动压力。
进一步地，抛光盘3的基材可为砂纸、羊毛或鹿皮等。由于采用的软质抛光轮，使得对抛光轮施加一定压力后，抛光轮由点抛光变为面抛光，从而可以明显消除刀纹，大大提高了模具表面加工质量。
下面以本发明的一个优选实施例来进一步说明本发明的工作原理：
步骤1：采用三维CAD软件建立模具2的三维模型，在三维模型中设置与工件坐标系X轴平行的抛光路径，获取抛光路径中的各刀触点在工件坐标系下的位置坐标以及刀触点的姿态数据。
通过Por/E、MasterCAM、UG、CAXA制造工程师等三维CAD软件建立模具2的三维模型，建立工件坐标系，使模具2的横向与工件坐标系的X轴平行，纵向与工件坐标系的Y轴平行，工件坐标系的Z轴垂直于工作台平面。通过三维制图软件建立模具2的三维模型，然后直接由三维制图软件导出抛光路径中的各刀触点在工件坐标系下的位置坐标。
设Li为第i条轨迹线段，i＝1,2,3,…,m；L1～Lm在工件坐标系的XY平面上的投影为相互平行的直线；设Sij为第i条轨迹线段上的第j个刀触点，j＝1,2,3,…,n。由模具2的三维模型得到对应刀触点Sij的位置矢量pij。
步骤2：获取刀触点的姿态数据，具体包括如下步骤：
步骤2-1，取第i条轨迹线段上第j-1个刀触点Sij-1、第j个刀触点Sij、第j+1个刀触点Sij+1，取第i-1条轨迹线段上第j个刀触点Si-1j，取第i+1条轨迹线段上第j个刀触点Si+1j，i＝2,3,…,m-1，j＝2,3,…,n-1；分别以{Sij，Sij+1，Si-1j}、{Sij，Si-1j，Sij-1}、{Sij，Sij-1，Si+1j}、{Sij，Si+1j，Sij+1}为三角形顶点，对应组成四个相邻的三角形，求得每个三角形的单位法向量
至此，可以得到机器人刀触点的位置矢量pij和法向量nij。
步骤2-2：计算相邻两条刀触点轨迹线段Li和Li+1中，具有相同X坐标值的两点的法向量夹角，设这些法向量夹角最大值为θmax，当θmax大于给定阈值θs时，保留Li+1中的刀触点，反之则删除Li+1中的刀触点。另外，同时设置限制条件，使相邻两条路径的间距不大于6mm。
步骤2-3：取单条路径Li上的相邻三个轨迹点Sij-1、Sij、Sij+1(j＝2,3,…,n-1),计算点Sij到线段Sij-1Sij+1的距离，记为d，若d小于给定阈值ds，则保留中间刀触点Sij，反之去掉中间刀触点Sij。用此方法遍历路径Li上的所有轨迹点。
步骤3：获取刀位点的姿态数据，将刀触点的位置及姿态数据，转变为混联机器人控制系统能够识别的刀位点的位置和姿态数据。
步骤3-1，设α为刀触点Sij处抛光器具的轴线绕工件坐标系X轴旋转的角度，设β为刀触点Sij处抛光器具的轴线绕工件坐标系Y轴旋转的角度；则有：
由步骤2获得的刀触点Sij法向量来求得α和β值；
设矩阵K为刀触点Sij的位置及姿态矩阵，其矩阵表达式为：
式中，Px,Py,Pz对应为刀触点Sij在工件坐标系中的X、Y、Z坐标；
步骤3-2，设刀触点Sij的单位法向量绕工件坐标系Y轴旋转一个角度Ψ，沿Z轴方向移动抛光器具半径r的距离，成为对应刀触点Sij的刀位点Gij的单位法向量；设Q为对应刀触点Sij的刀位点Gij的位置和姿态的矩阵，则有Q＝K×T，其中T为转换矩阵：
步骤3-3，将矩阵Q转变为混联机器人控制系统6能够识别的刀位点的位置坐标和姿态数据，并进一步生成刀位点的轨迹点文件。通过后置处理将所得到的刀位点的位置坐标及姿态数据，转变为混联机器人控制系统6能够识别的刀位点的位置坐标及姿态数据格式，比如Gij(X，Y，Z，A，B)。将这些轨迹点依次相连，形成机器人抛光轨迹路径。
步骤4：在生成的刀位点的轨迹点文件中加入机器人启停，进给速度，进气阀开关，插补等相关指令，形成完整的机器人控制系统6能够识别的加工文件。
步骤5：给机器人上电，打开气泵，并将加工文件拷贝到机器人控制系统6中。
步骤6：建立模具工件坐标系与机器人末端坐标系之间的联系，将机器人末端坐标系偏移到工件坐标系原点的位置，并将偏移量记录到控制系统6相应位置。
步骤7：通过控制系统6将浮动主轴4的气缸压力设置为0.15MPa，将浮动主轴4的转动压力设置为0.63Mpa。
步骤8：运行加工指令，使机器人末端按照预定路径轨迹运动，直到完成设定的工件加工。
步骤9：将机器人回零点，机器人控制系统6下电，并关闭气泵。
以上所述的实施例仅用于说明本发明的技术思想及特点，其目的在于使本领域内的技术人员能够理解本发明的内容并据以实施，不能仅以本实施例来限定本发明的专利范围，即凡本发明所揭示的精神所作的同等变化或修饰，仍落在本发明的专利范围内。
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