一种六自由度机器人渐进成形加载路径补偿方法

摘要

本发明公开了一种六自由度机器人渐进成形加载路径补偿方法，考虑壁厚、成形角与刀具偏转角的机器人渐进成形加载路径补偿方法，通过在零件三维模型表面按等层高、等间距的原则排布刀具路径点，并计算出各刀具路径点的成形角度、偏移方向及各偏移方向上的偏移距离，得到了各刀具路径偏移点，实现了机器人渐进成形空间加载路径的精确补偿，使得成形零件的尺寸精度更高；与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：传统三轴渐进成形加载路径只需考虑水平方向的补偿，但机器人渐进成形需要考虑空间方向的补偿，目前缺少一种机器人渐进成形加载路径点的空间补偿方法。

权利要求

1.一种六自由度机器人渐进成形加载路径补偿方法，其特征在于，包括如下步骤：(1)对零件进行三维建模，并在模型表面按等层高、等间距的原则排布刀具路径点Pi(xi,yi,zi)，并计算各刀具路径点Pi(xi,yi,zi)所在曲面方程S(x,y,z)的法向量(2)求解各刀具路径点Pi(xi,yi,zi)的成形角度θ：其中，β为刀具路径点Pi(xi,yi,zi)的法向量 与Z轴正方向单位向量 的空间夹角，(3)求解各刀具路径点Pi(xi,yi,zi)在Z轴正方向及X/Y平面上的偏移方向 和当 时当 时

(4)确定机器人渐进成形用成形刀具的直径d、成形时刀具偏转角度α以及板材厚度t，求解各刀具路径点Pi(xi,yi,zi)在各偏移方向上的偏移量lz和lxy，得到各刀具路径偏移点Pi′；

方向上的偏移量lz：

方向上的偏移量lxy：

其中，成形角度 刀具偏转角度 为在过法向量 且与水平面垂直的平面上，偏转后刀具轴线与竖直时刀具轴线的夹角，且规定刀具竖直状态时α＝0，α向内倾斜取正，向外倾斜取负；若lxy为负，则向 的反方向进行偏移；

(5)将各刀具路径偏移点Pi′导入机器人控制系统中，保持成形时刀具偏转角α不变，成形刀具沿着生成的刀具路径偏移点Pi′逐点逐层的完成零件的成形。

说明书

一种六自由度机器人渐进成形加载路径补偿方法

技术领域

[0001] 本发明涉及工业机器人渐进成形技术领域，具体涉及一种考虑壁厚、成形角与刀具偏转角的机器人渐进成形加载路径补偿方法。

背景技术

[0002] 六自由度机器人渐进成形技术(6‑DOF Incremental Robotic Sheet Forming)是一种基于刀具轨迹控制的柔性板料等材成形技术。该技术根据曲面构件形成的空间包络面，将包络面沿高度方向离散成一系列等高线层，并生成各等高线层面上的加工轨迹，成形刀具在六自由度机器人的控制下沿着生成的加工轨迹点位对板料进行逐点逐层碾压变形，从而实现材料连续、局部塑性成形。成形刀的加工轨迹多采用自上而下、由外而内的运动方法，且成形轨迹需遵循顺逆相间、变形量合理的原则。由于渐进成形其特殊的加载方式，成形刀具与板料属于局部点接触，板料接触点周围很小区域受到刀具的压应力与摩擦力从而在板材厚度方向产生塑性减薄变形，且壁厚变化规律遵循余弦定理t＝t0cosθ(其中，t0为原始板材壁厚，θ为成形角度 t为板材成形后的理论壁厚)，如图1所示。综上所述，渐进成形过程中成形刀具的加载路径直接决定了板材成形后的形状尺寸与精度。

[0003] 传统渐进成形的刀具只有X、Y、Z三个方向的自由度，其刀具的加载方向始终平行于Z轴，因此在考虑刀具补偿时只需要考虑刀具刀尖在X/Y平面内进行补偿即可，但对于六自由度机器人渐进成形来说，TCP位于刀尖位置，成形刀具除了拥有X、Y、Z三个方向的自由度，还拥有A、B、C转动自由度，因此六自由度机器人渐进成形刀具的空间姿态是可调的，刀具可以以不同的刀具偏转角度α对板材进行成形，刀具与板料的接触点将不仅限于刀尖区域，它可以是球头刀头的任意区域，需要考虑刀具在空间内的补偿，因此传统的渐进成形刀具补偿方式并不完全适用于六自由度机器人渐进成形。此外，以往渐进成形的刀具补偿没有考虑材料的壁厚减薄变化，导致成形出的零件尺寸整体偏大。因此目前缺少一种适用于六自由度机器人渐进成形加载路径的补偿方法，且考虑壁厚变化对板材渐进成形精度的影响。

发明内容

[0004] 本发明针对现有技术存在的上述不足，提出了一种考虑壁厚、成形角与刀具偏转角的六自由度机器人渐进成形加载路径补偿方法，以解决六自由度机器人渐进成形过程中的刀具空间补偿问题。

[0005] 本发明是通过以下技术方案实现的：

[0006] 一种六自由度机器人渐进成形加载路径补偿方法，包括如下步骤：

[0007] (1)对零件进行三维建模，并在模型表面按等层高、等间距的原则排布刀具路径点Pi(xi,yi,zi)，并计算各刀具路径点Pi(xi,yi,zi)所在曲面方程S(x,y,z)的法向量[0008]

[0009] (2)求解各刀具路径点Pi(xi,yi,zi)的成形角度θ：

[0010]

[0011] 其中，β为刀具路径点Pi(xi,yi,zi)的法向量 与Z轴正方向单位向量 的空间夹角， β∈[0,π]；

[0012] (3)求解各刀具路径点Pi(xi,yi,zi)在Z轴正方向及X/Y平面上的偏移方向 和[0013] 当 时

[0014]

[0015]

[0016]

[0017] 当 时

[0018]

[0019]

[0020]

[0021] (4)确定机器人渐进成形用成形刀具的直径d、成形时刀具偏转角度α以及板材厚度t，求解各刀具路径点Pi(xi,yi,zi)在各偏移方向上的偏移量lz和lxy，得到各刀具路径偏移点Pi′；

[0022] 方向上的偏移量lz：

[0023]

[0024] 方向上的偏移量lxy：

[0025]

[0026] 其中，成形角度 刀具偏转角度 为在过法向量 且与水平面垂直的平面上，偏转后刀具轴线与竖直时刀具轴线的夹角，且规定刀具竖直状态时α＝0，α向内倾斜取正，向外倾斜取负；若lxy为负，则向 的反方向进行偏移；

[0027] (5)将各刀具路径偏移点Pi′导入机器人控制系统中，保持成形时刀具偏转角α不变，成形刀具沿着生成的刀具路径偏移点Pi′逐点逐层的完成零件的成形。

[0028] 本发明与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：传统三轴渐进成形加载路径只需考虑水平方向的补偿，但机器人渐进成形需要考虑空间方向的补偿，目前缺少一种机器人渐进成形加载路径点的空间补偿方法。本发明提出了一种考虑壁厚、成形角与刀具偏转角的机器人渐进成形加载路径补偿方法，通过在零件三维模型表面按等层高、等间距的原则排布刀具路径点，并计算出各刀具路径点的成形角度、偏移方向及各偏移方向上的偏移距离，得到了各刀具路径偏移点，实现了机器人渐进成形空间加载路径的精确补偿，使得成形零件的尺寸精度更高。

附图说明

[0029] 图1板材遵循余弦定理的壁厚变化规律示意图；

[0030] 图2刀具路径点排布及偏移方向和偏移距离示意图；

[0031] 图3材料壁厚、成形角度和刀具直径及偏转角示意图；

[0032] 图4刀具偏转角为正时加载路径补偿示意图；

[0033] 图5刀具偏转角为负时加载路径补偿示意图；

[0034] 图中：1、圆台形零件，2、板材，3、成形刀具，31、偏移后成形刀具，32、偏移前成形刀具。

具体实施方式

[0035] 以下结合具体实施例，对本发明进行详细说明。

[0036] 如图2‑图5所示，公开了一种考虑壁厚、成形角与刀具偏转角的机器人渐进成形加载路径补偿方法，包括如下步骤：

[0037] (1)对圆台形零件1进行三维建模，并在模型表面按等层高、等间距的原则排布刀2 2
具路径点Pi(xi,yi,zi)，并计算各刀具路径点Pi(xi,yi,zi)所在曲面方程S(x,y,z)＝x+y ‑
2
z‑120z‑3600＝0的法向量

[0038]

[0039] (2)求解各刀具路径点Pi(xi,yi,zi)的成形角度θ：

[0040]

[0041]

[0042] (3)求解各刀具路径点Pi(xi,yi,zi)在Z轴正方向及X/Y平面上的偏移方向 和[0043]

[0044]

[0045]

[0046] (4)确定机器人渐进成形用成形刀具3的直径d＝10mm、成形时刀具偏转角度以及板材2厚度t＝1mm，求解各刀具路径点Pi(xi,yi,zi)在各偏移方向上的偏移量lz和lxy，得到各刀具路径偏移点Pi′。

[0047] 方向上的偏移量lz：

[0048]

[0049] 方向上的偏移量lxy：

[0050]

[0051] 其中，成形角度 刀具偏转角度 为在过法向量 且与水平面垂直的平面上，偏转后刀具轴线与竖直时刀具轴线的夹角，且规定刀具竖直状态时α＝0，α向内倾斜取正，向外倾斜取负；若lxy为负，则向 的反方向进行偏移。

[0052] (5)将各刀具路径偏移点Pi′导入机器人控制系统中，保持成形时刀具偏转角不变，成形刀具3沿着生成的刀具路径偏移点Pi′逐点逐层的完成圆台形零件1的成形。

[0053] 本发明提出了一种机器人渐进成形的刀具补偿算法，使得机器人可以以一定的偏转角对板材进行成形，如果不进行补偿会使得零件最终的成形尺寸较设计尺寸偏大，同时还会造成初始加工时，进给量过大引发板料破裂的情况发生，该方法可实现机器人渐进成形在任意刀具偏转角下的刀具的精确进给，消除了由于缺失刀具补偿而引起尺寸过大及初始破裂问题。

[0054] 应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。