[發明專利]基于虛擬夾具的遙操作機器人磨切一體加工系統與方法

在審

• 申請號: 202110769485.0
• 申請日: 2021-07-07
• 公開（公告）號: CN113386142A
• 公開（公告）日: 2021-09-14
• 發明（設計）人: 孫濤;王猛;王攀峰;宋軼民;陳躍程
• 申請（專利權）人: 天津大學
• 主分類號: B25J9/16
• 分類號: B25J9/16;B25J11/00;B25J3/00
• 代理公司: 天津市北洋有限責任專利代理事務所 12201
• 代理人: 琪琛

本發明公開了一種基于虛擬夾具的遙操作機器人磨切一體加工系統與方法，系統包括：主動操控機器人、從動加工機器人、機器人控制系統、虛擬夾具控制系統、視覺系統。方法包括：1)通過視覺系統獲取鑄造件殘留特征與從動加工機器人末端執行器相對位姿；2)據此生成適于鑄造件殘留特征加工的虛擬夾具；3)調整相對位姿，使虛擬夾具滿足鑄造件殘留特征的磨切加工需求；4)給虛擬夾具施加人工斥力場，對主動操控機器人末端運動進行約束與引導；5)驅動力和斥力的合力決定從動加工機器人對鑄造件殘留特征進行加工。該方法可以將工人從惡劣的工作環境中解放出來；避免了從動機器人損傷中大型鑄造件本體，提高了加工效率，保證了加工質量。

技術領域

本發明涉及機器人加工領域，特別是基于虛擬夾具的主從遙操作機器人磨切一體加工系統與方法。

背景技術

隨著航空航天、風電船舶、能源輸送等產業的發展，所用核心裝備中大型結構件的需求日益增多，其大多數均由鑄造工藝制成。由于此類結構件尺寸巨大，鑄造后合模線、澆冒口等殘留特征具有尺寸不一、形貌各異、分布隨機等特點，其打磨、切割(磨切)加工一直是該行業中長期存在的巨大挑戰。

目前95％以上企業采用人工磨切的方式進行作業，主要是通過手持打磨機和切割機對殘留特征層層去除。這種方式不僅效率低、成本高，而且惡劣的工作環境會對工人身體健康造成致命傷害。采用自動化裝備進行“機器換人”無疑是解決這一問題的有效途徑。然而現有自動化裝備普遍采用的示教編程和離線編程的方式，配置過程繁冗、周期較長，難以滿足中大型鑄造件殘留特征的高效高質量加工需求。

發明內容

基于上述技術背景回顧，針對現有人工磨切加工和自動化磨切加工方法存在的不足，本發明提出了基于虛擬夾具的主從遙操作機器人磨切一體加工系統與方法，旨在解決中大型鑄造件合模線、澆冒口等殘留特征高效高質量磨切加工的難題。

本發明提出基于虛擬夾具的主從遙操作機器人磨切一體加工系統包括：主動操控機器人、從動加工機器人、機器人控制系統、虛擬夾具控制系統、視覺系統。

其中，所述主動操控機器人、從動加工機器人與機器人控制系統通過數據線連接；所述主動操控機器人與虛擬夾具控制系統通過數據線進行連接；所述視覺系統與其他部分均不連接。

磨切加工時，所述主動操控機器人、虛擬夾具控制系統均位于遙操作室A中；視覺系統、機器人控制系統和從動加工機器人位于距離所述遙操作室A較遠的加工車間B中。

本發明系統可通過所述虛擬夾具控制系統調整虛擬夾具的形狀、大小、位置，分別生成三種適于各類殘留特征加工的平面型、曲面型和圓柱型虛擬夾具。

所述基于虛擬夾具的主從遙操作機器人磨切一體加工方法通過以下步驟實現：

1)工人通過所述視覺系統獲取中大型鑄造件的殘留特征與所述從動加工機器人末端執行器的相對位姿；

2)工人據此通過所述虛擬夾具控制系統生成適于殘留特征加工的虛擬夾具；

3)工人通過所述虛擬夾具控制系統調整虛擬夾具與中大型鑄造件殘留特征之間的相對位姿，使虛擬夾具滿足所述中大型鑄造件殘留特征的磨切加工需求；

4)通過所述虛擬夾具控制系統給虛擬夾具施加人工斥力場，斥力場產生的斥力對所述主動操控機器人末端運動進行約束與引導；

5)工人施加給所述主動操控機器人末端的驅動力和斥力場產生的斥力的合力共同決定所述從動加工機器人的運動，使其對所述中大型鑄造件殘留特征進行加工。

其中，所構建的虛擬夾具可表示為：

S_m,i＝f(x,y,z) (1)

S_m,i∈S_m (2)