一种机器人薄壁结构件五轴加工方法与流程

【】本发明涉及贴合设备滚轮，特别涉及一种机器人薄壁结构件五轴加工方法。

背景技术

0、 背景技术：

1、薄壁结构件具有质量轻、比强度高、结构集成度高等特点，在航空航天、高端装备及交通运输装备中得到广泛应用。此类结构件通常由具有较大加工余量的毛坯经多阶段材料去除形成。随着材料不断被去除，零件剩余壁厚、局部边界条件、质量分布和刚度均发生变化，使加工过程中工件变形和振动状态具有明显的时变性。

2、传统五轴数控机床具有较高结构刚度和运动精度，但大型五轴加工设备成本较高，工作空间受到机床结构和行程限制。工业机器人具有工作空间大、柔性高以及易于重新布置等特点，在机器人末端安装高速加工主轴后可以完成复杂曲面多轴加工，尤其适用于大型构件局部加工及多品种加工场景。

3、但是，串联工业机器人的关节传动机构和连杆系统具有明显柔性，其末端刚度通常随机器人关节姿态改变。对于由六自由度机器人执行的五轴加工任务，在确定刀具中心位置和刀轴方向后，机器人还能够通过改变绕刀轴方向的冗余姿态改变各关节位置，因此相同刀位和刀轴方向可以对应不同的机器人加工刚度及动态响应。

4、另一方面，薄壁结构件本身具有较低刚度。机器人加工薄壁结构件时，切削载荷会同时引起机器人、加工主轴及刀具构成的刀具侧变形和薄壁结构件侧变形，最终加工轮廓并非由任一侧的绝对变形单独决定，而是取决于刀具与工件之间的相对变形。

5、现有技术已从不同方向对上述问题进行了研究。

6、例如，公开号为cn115229796a的中国发明专利申请公开了一种面向航空大构件铣削的机器人末端位姿跟踪补偿方法，通过机器人关节刚度参数辨识和柔度特性转换确定铣削接触位置的机器人刚度，并通过冗余角优化、切削力预测、预补偿及实时位姿补偿降低机器人柔性造成的加工误差。

7、公开号为cn114833848a的中国发明专利申请公开了一种刚度约束的机器人铣削加工刀轴矢量和冗余度集成规划方法，通过刀轴矢量和机器人冗余角联合规划改善机器人铣削加工姿态。

8、公开号为cn117908466a的中国发明专利申请公开了一种机器人球头刀铣削加工中的刀轴方向与冗余角优化方法，在改变刀轴方向后重新确定刀具—工件切触区域及切削力，并联合优化刀具前倾角、侧倾角和机器人冗余角。

9、公开号为cn107942936a的中国发明专利申请公开了一种五轴侧铣加工刀具与工件变形误差补偿方法，通过计算刀具变形和工件变形，并考虑变形对铣削力的反馈影响进行迭代计算，对刀尖位置和刀轴倾斜角进行补偿。

10、公开号为cn111723440a的中国发明专利申请公开了一种薄壁件加工精度预测混合建模方法，通过材料动态去除获得加工过程中的时变柔度，并结合工件端变形和刀具端变形预测薄壁件加工精度。

11、上述技术分别解决了机器人姿态优化、机器人末端变形、刀具与工件变形补偿以及薄壁件时变柔度预测等问题，但机器人薄壁结构件五轴加工仍存在以下技术问题。

12、首先，改变刀轴姿态后，刀具与工件实际接触区域、参与切削的刀刃位置以及切削载荷均会改变；进一步地，机器人和薄壁结构件在切削载荷作用下发生变形后，实际刀具—工件接触区域又会再次改变。若仅根据刚性几何关系计算一次切削载荷并直接预测变形，则切削载荷、接触区域和变形之间不能形成一致的加工平衡状态。

13、其次，在根据预测变形修改刀位位置或刀轴方向以后，补偿后的刀具—工件接触区域会再次发生变化。如果直接使用补偿前的切削载荷和稳定性结果执行加工，可能使补偿结果与重新形成的实际加工状态不一致。

14、再次，薄壁结构件的准静态弹性变形和加工过程动态振动属于不同物理响应。前者主要影响轮廓误差，后者主要影响加工稳定性及实际动态接触状态。若采用单一“刚度指标”同时描述两种响应，容易导致误差补偿和动态稳定性评价之间的物理含义不清。

15、另外，实际切削载荷、振动和加工轮廓发生偏差的原因并不相同。切削载荷偏差可能来自刀具状态或者切削参数变化；振动状态变化可能来自系统动态参数变化；实际壁厚或材料边界偏差则直接改变后续工件结构。若任一测量偏差出现后即同时修改全部模型，不仅计算量较大，而且容易将一种偏差错误传播至无关模型。

16、对于加工过程后期，当材料连续去除造成薄壁区域刚度迅速下降时，如果进入低刚度区域以后才开始改变机器人姿态，姿态转换过程本身可能引起关节运动和加工状态突变。因而有必要在进入刚度明显下降区域之前预判后续结构状态，并在相对高刚度加工区域内提前完成机器人姿态过渡。

17、因此，需要一种能够区分准静态变形和动态响应，使刀具—工件接触区域、切削载荷及相对变形达到一致切削平衡状态，并能够对补偿后状态再次校核、根据偏差来源实施选择性模型更新以及根据未来刚度变化提前规划机器人姿态迁移的机器人薄壁结构件五轴加工方法。

技术实现思路

0、 技术实现要素：

1、为了克服上述问题，本发明提出一种可有效解决上述问题的机器人薄壁结构件五轴加工方法。

2、本发明解决上述技术问题提供的一种技术方案是：提供一种机器人薄壁结构件五轴加工方法，采用具有至少六个关节自由度的工业机器人携带加工主轴和铣削刀具对薄壁结构件实施五轴联动加工，包括以下步骤：

3、步骤s1、获取待加工薄壁结构件的初始几何模型、目标加工轮廓、毛坯状态、装夹约束和加工余量，建立表征当前剩余材料空间分布的材料去除状态模型，根据待加工表面的曲率变化、剩余壁厚变化和理论刀轴方向变化将预定五轴刀轨划分为多个依次执行的加工段；

4、步骤s2、在执行当前加工段前，根据所述材料去除状态模型确定当前加工段的剩余壁厚、局部边界约束及剩余材料分布，分别建立用于轮廓误差预测的局部准静态柔度状态和用于振动稳定性判断的局部动态响应状态；同时根据预定加工顺序预测后续多个加工段完成材料去除后的局部动态响应状态，当预测到相邻后续加工段之间的局部刚度下降达到预设突降条件时，确定刚度突降区域以及位于所述刚度突降区域上游的姿态提前迁移区间；

5、步骤s3、在刀具与工件无干涉、机器人关节运动范围、机器人奇异位形规避和姿态连续性约束下，分别改变刀具前倾角、刀具侧倾角及机器人绕刀轴方向的冗余姿态，形成多个候选加工状态；针对每一候选加工状态，根据当前材料去除状态重新确定刀具与薄壁结构件的刚性几何切触区域，并根据所述刚性几何切触区域确定有效切削刃位置、材料去除状态及切削速度状态，获得对应的初始预测切削载荷；

6、步骤s4、根据所述初始预测切削载荷、机器人当前候选姿态对应的柔度状态、加工主轴及铣削刀具的柔度状态确定刀具侧准静态位移，根据当前加工段的局部准静态柔度状态确定薄壁结构件侧准静态位移，并将刀具侧准静态位移和薄壁结构件侧准静态位移变换至同一工件坐标系，确定刀具与薄壁结构件之间的准静态相对变形；根据所述准静态相对变形修正刀具与薄壁结构件之间的实际空间关系，重新确定切触区域及切削载荷，并再次计算准静态相对变形，直至相邻两次计算的切削载荷变化和法向相对变形变化均满足预设收敛条件，将收敛后的切触区域、切削载荷和准静态相对变形确定为对应候选加工状态的切削平衡状态；

7、步骤s5、基于所述切削平衡状态，分别确定刀具侧与薄壁结构件侧沿被加工表面法向、进给方向和刀轴方向的动态响应，根据二者的相对动态响应判断加工稳定性；当刀轴方向的相对振动达到能够改变刀具轴向实际接触范围的程度时，重新确定受振动影响的动态切触区域，并依据变化后的实际接触状态重新计算动态切削载荷和动态稳定状态；同时根据机器人关节运动能力和薄壁结构件允许振动状态确定各候选加工状态对应的允许进给区间；

8、步骤s6、剔除不满足轮廓误差要求、动态稳定性要求、无干涉要求、机器人运动约束或者不存在有效允许进给区间的候选加工状态；对剩余候选加工状态按照加工精度、动态稳定裕度、允许进给能力和相邻加工段姿态连续性的顺序进行筛选，并对连续多个加工段进行加工状态序列规划；当存在所述姿态提前迁移区间时，将进入刚度突降区域后所需的机器人冗余姿态和刀轴姿态变化分配至所述姿态提前迁移区间内的连续加工段，使机器人在进入刚度突降区域之前完成至少主要部分的姿态转换；

9、步骤s7、根据所确定的目标加工状态，对理论五轴刀轨实施补偿，其中，根据有效切触区域内多个代表性特征位置的法向相对变形确定刀位位置补偿量，根据各代表性特征位置之间法向相对变形沿刀轴方向的变化趋势确定刀轴方向补偿量，并在允许进给区间内确定目标进给状态，形成包含刀位位置、刀轴方向和时变进给信息的待校核补偿刀轨；

10、步骤s8、针对所述待校核补偿刀轨重新确定补偿后的刀具—工件切触区域、切削载荷、准静态相对变形和动态稳定状态；当残余轮廓误差、动态稳定性、刀具与工件无干涉状态以及机器人运动连续性未同时满足要求时，再次修正刀位位置、刀轴方向或者加工参数，并重新进行校核；当各项校核条件同时满足时，将对应刀轨确定为当前加工段的执行五轴刀轨；

11、步骤s9、控制机器人按照所述执行五轴刀轨完成当前加工段，在加工过程中同步采集与当前加工段和刀位位置具有对应关系的实际切削载荷、机器人运动状态和振动响应，并在完成预定加工段后获取实际加工轮廓、实际壁厚或者实际材料去除边界中的至少一种加工结果；根据实际数据与预测数据之间的对应偏差进行偏差来源判别，并根据偏差来源选择性修正切削载荷预测状态、局部动态响应状态或者材料去除状态模型；当材料去除状态发生修正，或者多个关联状态同时出现达到预设重构条件的持续偏差时，以修正后的实际材料去除状态为起点重新确定后续加工段的局部准静态柔度状态、局部动态响应状态、刀具—工件切触区域、候选刀轴方向、机器人冗余姿态、允许进给区间和刀轨补偿量；

12、步骤s10、按照更新后的加工状态执行后续加工段，直至完成薄壁结构件的五轴加工。

13、优选地，步骤s1中对五轴刀轨进行加工段划分时：

14、沿理论五轴刀轨依次获取刀位位置；

15、分别获得各刀位位置处的被加工表面曲率、理论剩余壁厚和理论刀轴方向；

16、当相邻刀位位置之间的表面曲率变化、理论剩余壁厚变化和理论刀轴方向变化中的至少一项达到对应的预设分段条件时建立加工段边界；

17、使同一加工段内的材料去除状态、局部结构状态以及刀具—工件切触状态处于预定变化范围内。

18、优选地，步骤s2中：

19、所述局部准静态柔度状态至少包括当前加工区域沿被加工表面法向和主要切削载荷方向的单位载荷位移响应；

20、所述局部动态响应状态至少包括当前加工区域沿被加工表面法向、进给方向和刀轴方向的动态柔度特征、至少一个低阶固有频率以及对应阻尼特征；

21、根据不同剩余壁厚、局部边界约束和剩余材料分布预先建立多个材料去除状态样本，并获得各材料去除状态样本对应的局部准静态柔度状态和局部动态响应状态；

22、正式加工过程中根据当前材料去除状态选择相应状态样本或者根据相邻状态样本获得当前加工区域的初始状态参数，并利用实际加工数据对后续加工段对应的状态参数进行修正。

23、优选地，步骤s2中确定所述姿态提前迁移区间包括：

24、根据当前实际材料去除状态和预定加工顺序依次生成未来多个加工段完成后的预测剩余材料状态；

25、根据各预测剩余材料状态确定对应区域的预测局部动态响应状态；

26、比较相邻未来加工段之间的局部刚度变化；

27、当刚度下降量或者刚度下降速率达到预设突降条件时，将相应加工段确定为刚度突降区域；

28、沿加工方向向所述刚度突降区域的上游搜索能够满足机器人姿态连续变化和加工稳定性要求的加工段，将搜索得到的连续加工段确定为姿态提前迁移区间。

29、优选地，在正式加工之前，在覆盖实际加工区域的机器人工作空间内选取多个标定位姿，分别在机器人末端施加多个方向的已知载荷并测量机器人末端位姿变化，以获得机器人关节等效刚度参数；

30、针对各候选加工状态，根据机器人当前关节位置和所述机器人关节等效刚度参数获得机器人末端柔度，并将机器人末端柔度转换至刀具—工件切触区域；

31、将加工主轴及铣削刀具的等效柔度加入转换后的机器人末端柔度，以确定刀具侧综合柔度状态；

32、所述刀具侧准静态位移至少包括机器人末端平移、机器人末端转动引起的刀具位置附加位移、加工主轴弹性变形和铣削刀具弯曲变形。

33、优选地，步骤s3中针对每一候选刀轴方向重新确定刀具—工件切触区域包括：

34、根据当前材料去除状态模型确定剩余材料实体边界；

35、确定当前候选刀轴方向下切削刃进入剩余材料的位置、离开剩余材料的位置及沿刀具轴向的有效切削范围；

36、对于球头铣刀，根据球面切削刃与剩余材料实体之间的位置关系确定实际参与切削的球面区域；

37、根据实际参与切削的切削刃位置确定对应的切削速度状态和瞬时材料去除状态；

38、针对不同候选刀轴方向分别确定切削载荷，不将同一切削载荷直接用于不同候选刀轴方向的变形评价。

39、优选地，步骤s4中的切削平衡状态按照以下方式确定：

40、以根据刚性几何切触区域获得的切削载荷作为第一次预测切削载荷；

41、利用第一次预测切削载荷确定刀具侧准静态位移及薄壁结构件侧准静态位移；

42、根据二者的准静态相对变形改变刀具相对于薄壁结构件的预测实际位置，并重新确定下一次刀具—工件切触区域及预测切削载荷；

43、重复执行切触区域更新、切削载荷更新和准静态相对变形更新；

44、当相邻两次计算得到的代表性切削载荷变化和法向相对变形变化均小于对应的收敛允许值时结束迭代；

45、当达到预设最大迭代次数仍不满足所述收敛条件时，将该候选加工状态判定为不稳定计算状态，并通过改变机器人冗余姿态、刀轴方向或者降低切削参数重新进行计算。

46、优选地，步骤s5中：

47、分别获得刀具侧和薄壁结构件侧沿被加工表面法向、进给方向和刀轴方向的动态响应；

48、将两侧响应转换至统一坐标基准并获得对应方向上的相对动态响应；

49、当刀轴方向相对振动未达到动态接触触发条件时，采用切削平衡状态下的切触区域进行动态稳定性评价；

50、当刀轴方向相对振动达到动态接触触发条件时，将轴向切削区域区分为持续参与切削的相对稳定接触区域和因相对振动而周期性进入或退出材料的动态接触区域，并根据所述动态接触区域重新确定动态切削载荷；

51、根据修正后的动态切削载荷再次判断对应候选加工状态的动态稳定性。

52、优选地，各候选加工状态对应的允许进给区间按照以下方式确定：

53、根据机器人当前候选姿态和加工方向确定机器人各关节随进给速度变化的运动状态，并根据机器人关节位置、允许速度和允许加速度确定机器人运动约束下的第一进给范围；

54、从预设最低评价进给开始在所述第一进给范围内逐级提高候选进给速度，并针对各候选进给速度重新预测切削载荷和三向动态响应；

55、当提高候选进给速度导致任一方向预测振动响应超过对应允许值时，停止继续提高进给速度，并将此前仍满足振动要求的进给速度确定为当前候选加工状态的允许进给上限；

56、根据预设最低稳定加工进给和所述允许进给上限确定允许进给区间。

57、优选地，步骤s6对候选加工状态进行筛选时，先将轮廓误差、动态稳定性、刀具与工件无干涉状态及机器人运动约束作为硬约束，删除任一硬约束不满足的候选加工状态；

58、对满足全部硬约束的候选加工状态，优先选择预测法向相对变形较小的加工状态；

59、当多个候选加工状态的预测法向相对变形均处于同一预设精度范围内时，优先选择动态稳定裕度较大的加工状态；

60、当多个候选加工状态的动态稳定裕度均满足同一预设稳定范围时，优先选择允许进给上限较大的加工状态；

61、当仍存在多个候选加工状态时，选择与相邻加工段之间机器人关节变化量和刀轴方向变化量较小的加工状态。

62、优选地，步骤s7中，在刀具与薄壁结构件的有效切触区域内沿刀轴方向分布范围选取至少三个代表性特征位置；

63、对于侧刃加工，所述代表性特征位置包括位于有效轴向切削范围不同高度的特征位置；

64、对于球头刀加工，所述代表性特征位置分布于球面实际参与切削的接触带内；

65、根据各代表性特征位置的法向相对变形确定整体轮廓偏移；

66、根据各代表性特征位置的法向相对变形沿刀轴方向的变化趋势确定刀具与薄壁结构件之间的相对倾斜趋势；

67、使刀位位置朝抵消所述整体轮廓偏移的方向移动，并使刀轴方向朝抵消所述相对倾斜趋势的方向调整。

68、优选地，步骤s8中，在每次修改刀位位置或者刀轴方向之后：

69、根据修改后的刀位位置和刀轴方向重新建立刀具—工件切触区域；

70、重新执行切削载荷与准静态相对变形迭代；

71、重新判断三向动态稳定性和机器人运动状态；

72、当预测残余轮廓误差仍超过对应加工精度要求时继续修正刀位位置或者刀轴方向；

73、当修改后的刀轴方向超出无干涉范围、对应加工状态不能达到切削平衡状态或者动态稳定性不满足要求时，放弃当前补偿状态并重新选择加工状态；

74、仅在残余轮廓误差、动态稳定性、无干涉状态及机器人运动连续性均满足要求后输出执行五轴刀轨。

75、优选地，步骤s9中的数据对应关系按照以下方式建立：

76、为每一加工段和对应刀位区间设置加工状态标识；

77、机器人控制系统输出当前加工状态标识和对应时间信息；

78、将实际切削载荷、机器人关节状态和振动响应按照时间信息归入相应加工状态标识对应的数据窗口；

79、将完成加工后的实际轮廓、实际壁厚或者实际材料去除边界按照空间位置映射至对应加工段；

80、仅采用与同一加工段具有对应关系的切削载荷、振动、机器人运动状态和加工结果数据对该加工段及相关后续加工段的模型状态进行修正。

81、优选地，步骤s9中的偏差来源判别包括：

82、当实际切削载荷持续偏离预测切削载荷，而实际加工轮廓、实际材料去除边界和动态响应未出现达到相应重构条件的偏差时，优先修正切削载荷预测状态；

83、当实际动态响应中的主响应频率或者振动幅值持续偏离预测动态响应，而实际材料去除边界未出现达到相应重构条件的偏差时，优先修正局部动态响应状态；

84、当实际加工轮廓、实际壁厚或者实际材料去除边界达到材料状态重构条件时，更新材料去除状态模型，并由更新后的材料去除状态向后续局部准静态柔度状态、局部动态响应状态和刀具—工件切触状态传播；

85、当实际材料去除状态偏差、切削载荷偏差和动态响应偏差中的至少两类偏差具有连续对应关系并同时达到各自重构条件时，对相关后续加工段执行多状态联合重构。

86、优选地，所述多状态联合重构包括：

87、以实测得到的实际加工轮廓、实际壁厚或者实际材料去除边界更新材料去除状态模型；

88、根据更新后的材料去除状态重新确定后续加工段的剩余壁厚、局部边界约束和剩余材料分布；

89、重新获得后续加工段的局部准静态柔度状态并根据实际动态响应修正局部动态响应状态；

90、利用实际切削载荷修正切削载荷预测状态；

91、根据更新后的实际剩余材料边界重新确定各候选刀轴方向对应的刀具—工件切触区域；

92、重新执行候选机器人冗余姿态筛选、切削平衡迭代、动态稳定性判断、允许进给区间确定、姿态提前迁移规划以及刀位位置和刀轴方向补偿。

93、与现有技术相比，本发明的机器人薄壁结构件五轴加工方法将薄壁结构件准静态柔度和动态响应分别建模，分别用于轮廓误差预测和加工稳定性判断，避免以单一刚度参数同时描述不同物理响应造成的模型含义混乱。考虑加工变形对实际刀具—工件接触状态及切削载荷的反向影响，通过切触区域、切削载荷和准静态相对变形反复更新获得切削平衡状态，使机器人侧和薄壁件侧变形预测与实际切削接触关系保持一致。对刀位位置和刀轴方向进行补偿以后重新建立刀具—工件切触区域，并重新执行变形和稳定性评价，避免因补偿本身改变切削状态而使补偿前预测结果失效。同时考虑被加工表面法向、进给方向和刀轴方向的相对动态响应，并能够在刀轴方向相对振动改变轴向接触范围时重构动态切触区域，提高弱刚度机器人加工状态下动态稳定性判断的合理性。根据机器人运动能力和薄壁结构件允许动态响应共同确定允许进给区间，使不同材料去除阶段能够在保证加工精度和稳定性的条件下采用与当前结构状态相适应的进给速度。根据未来材料去除状态预测刚度突降区域，并从刚度突降区域上游确定姿态提前迁移区间，使机器人能够在工件仍具有较高刚度的区域提前完成主要姿态调整，减少进入低刚度区域以后大幅改变机器人姿态导致的加工状态扰动。将在线切削载荷、振动状态和实际加工结果按照加工段及时间信息进行对应，避免不同空间位置或不同加工阶段的数据被错误用于同一模型修正。采用偏差因果门控更新机制，根据切削载荷偏差、动态状态偏差及实际材料状态偏差的不同来源分别选择需要修正的模型，仅在材料基础状态发生变化或者多个关联状态共同偏离时执行联合重构，从而降低错误状态传播和不必要的全模型更新。以实际材料去除状态作为后续模型重构的结构基础。当实际材料状态发生改变后，从材料状态向准静态柔度、动态响应、切触区域、机器人姿态、刀轴姿态、进给区间及补偿刀轨逐级重新传递，使后续机器人五轴加工始终建立于当前实际工件状态之上。