基于超声场能的机器人加工颤振主动抑制方法、系统、设备及介质与流程

本发明属于机器人加工，具体涉及一种基于超声场能的机器人加工颤振主动抑制方法、系统、设备及介质。

背景技术：

1、智能制造的快速发展对航空制造领域提出了更高要求。在追求高效率、高精度、高可靠性的生产环境中，工业机器人凭借其自动化、智能化、可编程性等特点，成为航空制造的重要工具。目前，工业机器人的弱刚度特性导致的加工颤振是制约机器人在航空零部件加工领域应用的一大阻碍。对于工业机器人而言，加工过程中位姿的变化必然导致机器人加工动力学特性随之改变。

2、现有抑制机器人加工颤振的方法包括被动抑制法、半主动抑制法和主动抑制法。其中，被动抑制法主要通过增强机器人刚性或安装各类减振器达到减少振动的目的；半主动抑制法主要通过手动调节外部能量的输入减少系统加工振动；主动抑制法可根据机器人的加工状态计算振动频率，并实时调节外部能量的摄入抑制机器人加工颤振。

3、被动抑制方法经济性和稳定性好，但一般只能针对单一的振动模态，无法适应机器人加工系统动力学的时变特性；半主动抑制方法可以根据机器人振动频率的变化，改变能量的输入以抑制加工振动，但需要依赖人工手动调节，无法基于加工状态实时改变能量的输入；主动抑制法的优点在于可以根据机器人的振动频率，实时改变能量的输入，自适应抑制机器人加工颤振。

4、目前，超声振动作为一种振动场能已经被证实可以有效抑制机器人的加工颤振。但现有研究仅仅从理论上研究了超声场能抑制机器人加工颤振的可行性。如何根据机器人加工振动频率，实时调节超声场能的大小以抑制颤振是超声场能在主动抑振应用中的难点问题。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种基于超声场能的机器人加工颤振主动抑制方法、系统、设备及介质，以解决超声产能在主动抑振应用中存在的问题。

2、本发明通过下述技术方案实现：

3、基于超声场能的机器人加工颤振主动抑制方法，包括以下步骤：

4、获取机器人加工过程中的加速度信号和切削力信号；

5、对加速度信号进行频谱分析，识别机器人加工系统发生颤振时的颤振频率；

6、根据理论切削力和实际测量的切削力，计算机器人加工系统的颤振幅值；

7、根据颤振频率和颤振幅值，计算机器人加工系统当前的颤振能量；

8、建立机器人加工系统的颤振能量与超声振动能量之间的映射关系，根据机器人加工系统当前的颤振能量确定超声电源需要输出的功率。

9、在一些实施例中，识别机器人加工系统发生颤振时的颤振频率的步骤包括：

10、实时采集机器人加工系统加工过程中的时域信号，并将时域信号转换为数组格式；

11、对机器人加工系统的加速度信号进行在线处理，通过快速傅里叶变换，分析短时间内小段信号的频率，作为当前信号的实时频率估计，得到信号的时频谱，并将结果转换为单边谱输出；

12、根据时频谱提取得到机器人加工系统的主要目标频率，即为颤振频率。

13、在一些实施例中，机器人加工系统的颤振幅值表示为：

14、；

15、其中，

f

rt表示根据加工参数计算得到的理论切削力；

f

st表示实验测量得到的切削力；

j表示机器人的雅克比矩阵；表示雅克比矩阵的逆矩阵；表示雅克比矩阵逆矩阵的转置；

k

θj（

j=1,2,3…6）表示机器人的关节刚度，

j表示机器人的运动关节序号。

16、在一些实施例中，机器人加工系统当前的颤振能量表示为：

17、；

18、其中，

m表示机器人加工系统的模态质量；

p表示颤振频率；表示颤振幅值；

19、。

20、在一些实施例中，建立机器人加工系统的颤振能量与超声振动能量之间的映射关系的步骤包括：

21、建立颤振能量与超声振动能量之间的关系，表示为：

22、；

23、其中，γ

v表示能量比；

p

e为超声电源的功率；

t

u表示超声振动的周期；

η

u为超声加工系统的能量转化效率；

24、；

v

z和

v

t表示纵向超声振动和扭转超声振动的速率；

v

zd和

v

td表示纵向超声振动和扭转超声振动速率的理论设计值；

25、；

e

uc表示给定的超声场能，

e

vc表示该超声场能作用下可抑制的颤振能量；

26、根据颤振能量与超声振动能量之间的关系式，得到超声振动能量和颤振能量的映射关系表示为：

27、；

28、其中，

f

u表示超声振动的频率；

k

v为超声振动能量与机器人颤振能量间的关联系数，。

29、在一些实施例中，根据超声振动能量和颤振能量的映射关系，实际加工过程中在映射关系中引入超声振动已经抑制的颤振能量，计算超声电源需要输出的功率

p

a，表示为：

30、；

31、其中，

e

pe表示当前的超声电源功率

p

el作用下已经抑制的超声振动能量；

e

s表示颤振抑制后的当前机器人加工颤振能量。

32、在一些实施例中，将超声电源的输出功率从当前值调整至

p

a值，依次循环对机器人加工系统进行颤振抑制。

33、另一方面，本发明还提供一种基于超声场能的机器人加工颤振主动抑制系统，用于执行基于超声场能的机器人加工颤振主动抑制方法，包括：

34、数据采集单元，用于获取机器人加工过程中的加速度信号和切削力信号；

35、频率处理单元，用于对加速度信号进行频谱分析，识别机器人加工系统发生颤振时的颤振频率；

36、控制单元，用于根据机器人加工系统当前的颤振能量，基于机器人加工系统的颤振能量与超声振动能量之间的映射关系，对超声加工系统的超声电源输出功率进行控制。

37、另一方面，本发明还提供一种电子设备，包括：

38、处理器；以及

39、存储器，用于存储所述处理器的可执行指令；

40、其中，所述处理器配置为经由执行所述可执行指令来执行基于超声场能的机器人加工颤振主动抑制方法。

41、另一方面，本发明还提供一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现基于超声场能的机器人加工颤振主动抑制方法。

42、本发明与现有技术相比，具有以下优点及有益效果：

43、本发明通过建立机器人加工系统颤振频率、颤振幅值及颤振能量的解析模型，并构建机器人系统颤振能量和超声振动能量间的映射关系，实现了机器人加工稳定性的自适应控制，解决了因机器人动力学时变特性导致的机器人加工系统振动抑制难的问题。