CN109849019B - 一种回转类结构件的多机器人加工方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种回转类结构件的多机器人加工方法，包括：对场景实时定位***、至少两个机器人和回转工件位姿保持与调整***进行初始化；生成用多机器人协同作业指导书；将待加工回转类结构件固定在回转工件位姿保持与调整***上；通过场景实时定位***控制各机器人移动至相应的加工位置；各机器人根据所述多机器人协同作业指导书进行位姿调整，以确定加工刀具与待加工型面之间的高精度位姿关系；各机器人根据所述多机器人协同作业指导书，对待加工回转类结构件上对应的待加工型面进行加工。通过本发明实现了大型回转类结构上多个加工面并行铣削、制孔与打磨，并行作业的方法可有效提高大型回转类结构的自动化水平和加工效率。

Description

一种回转类结构件的多机器人加工方法

技术领域

本发明属于数控加工技术领域，尤其涉及一种回转类结构件的多机器人加工方法。

背景技术

随着我国在重大结构件制造领域的需求增加，其高精度、高柔性的制造特点对加工装备提出了新的挑战。如直径大于3米、长度大于10米的大型密封舱结构，为保证其功能和精度满足设计指标要求，需整体进行加工，现有机床难以满足加工范围的要求，大型构件的高效高精度制造成为制约我国高端制造业发展的主要瓶颈。

大型复杂构件设计、制造、测量等关键技术是制造业重点发展领域的优先主题，此类构件通常具有尺寸大、形状复杂、位置精度和表面质量要求高并伴有薄壁结构等特征，对基础制造装备的加工能力提出了严峻挑战。

目前，此类构件的加工主要采用龙门式多轴数控机床，存在机床尺寸大且造价昂贵、加工对象相对单一、加工效率较低甚至机床行程难以满足等若干问题。

发明内容

本发明的技术解决问题：本发明实施例提供一种回转类结构件的多机器人加工方法，适用于大型回转类结构的协同原位制造，使用多个制造单元并行完成一个大型回转类结构的加工任务，实现大型回转类结构上多个加工面并行铣削、制孔与打磨，并行作业的方法可有效提高大型回转类结构的自动化水平和加工效率。

为了解决上述技术问题，本发明公开了一种回转类结构件的多机器人加工方法，包括：

对场景实时定位***(1)、至少两个机器人和回转工件位姿保持与调整***(7)进行初始化；

生成用于指导所述至少两个机器人工作的多机器人协同作业指导书；

将待加工回转类结构件固定在回转工件位姿保持与调整***(7)上；

通过场景实时定位***(1)控制各机器人移动至所述多机器人协同作业指导书中所指示的相应加工位置；

各机器人根据所述多机器人协同作业指导书进行位姿调整，以确定加工刀具与待加工型面之间的高精度位姿关系；

各机器人根据所述多机器人协同作业指导书，对待加工回转类结构件上对应的待加工型面进行加工。

在上述回转类结构件的多机器人加工方法中，至少两个机器人，包括：移动式混联机器人(2)、移动式串联铣削机器人(3)、移动式双臂加工机器人(4)、移动式串联打磨机器人(5)和吸附式并联机器人(6)；

移动式混联机器人(2)适用于公差要求在±0.2mm范围内，型面尺寸≤300mm×300mm的待加工型面的铣削和钻孔；

移动式串联铣削机器人(3)适用于公差要求在±0.5mm范围内，型面尺寸＞300mm×300mm的待加工型面的铣削和钻孔；

移动式双臂加工机器人(4)适用于弱刚性的待加工型面的钻铣；

移动式串联打磨机器人(5)适用于粗糙度要求不低于Ra0.8的待加工型面的磨抛；

吸附式并联机器人(6)适用于移动式混联机器人(2)、移动式串联铣削机器人(3)、移动式双臂加工机器人(4)和移动式串联打磨机器人(5)行程无法覆盖的、处于待加工回转类结构件顶部的待加工型面，减少待加工回转类结构件的旋转次数，在一个工位上完成更多的待加工型面的加工，实现加工效率的提升。

在上述回转类结构件的多机器人加工方法中，生成用于指导所述至少两个机器人工作的多机器人协同作业指导书，包括：

确定待加工回转类结构件的设计模型；

根据设计模型中的加工部位、加工公差、加工面的尺度特征、加工面的高度特征的分布规律，确定移动式混联机器人(2)、移动式串联铣削机器人(3)、移动式双臂加工机器人(4)、移动式串联打磨机器人(5)和吸附式并联机器人(6)在待加工回转类结构件上的加工空间的划分；

确定移动式混联机器人(2)、移动式串联铣削机器人(3)、移动式双臂加工机器人(4)、移动式串联打磨机器人(5)和吸附式并联机器人(6)在对应的加工空间上的加工轨迹；

对各机器人的加工轨迹进行轨迹拼接，形成多机器人协同作业指导书。

在上述回转类结构件的多机器人加工方法中，

加工部位是指：待加工回转类结构件安装在回转工件位姿保持与调整***(7)上，并旋转至固定角度后，各个待加工型面所在空间位置，包括：侧壁加工部位、顶部加工部位和底部加工部位；

加工公差，包括：±0.2mm的高精度等级加工公差、±0.5mm的较高精度等级加工公差和±1mm及以上的一般精度等级加工公差；

加工面的尺度特征，包括：长×宽＞300mm×300mm的较大待加工型面和长×宽≤300mm×300mm的较小待加工型面；

加工面的高度特征是指待加工型面距离待加工回转类结构件半径的距离差，包括：高度＞300mm的较高待加工型面、高度在100mm-300mm之间的一般待加工型面和高度≤100mm的较低待加工型面。

在上述回转类结构件的多机器人加工方法中，根据设计模型中的加工部位、加工公差、加工面的尺度特征、加工面的高度特征的分布规律，确定移动式混联机器人(2)、移动式串联铣削机器人(3)、移动式双臂加工机器人(4)、移动式串联打磨机器人(5)和吸附式并联机器人(6)在待加工回转类结构件上的加工空间的划分，包括：

将待加工回转类结构件上需要加工的待加工型面，按照确定的设计模型中的加工部位、加工公差、加工面的尺度特征、加工面的高度特征的所在结构件上的空间位置进行划分，以确定对应空间位置上适用的机器人的种类。

在上述回转类结构件的多机器人加工方法中，在确定对应空间位置上适用的机器人的种类时，按照如下优选顺序选择机器人的种类：优先选择顺序为：吸附式并联机器人(6)→移动式串联打磨机器人(5)→移动式双臂加工机器人(4)→移动式串联铣削机器人(3)→移动式混联机器人(2)。

在上述回转类结构件的多机器人加工方法中，当加工空间已和机器人对应完成后，将同一台机器人在不同空间上的加工轨迹进行连接，以此形成机器人完整的加工路径，加工路径，包括：移动平台的站位、机器人的作业轨迹。

在上述回转类结构件的多机器人加工方法中，多机器人协同作业指导书是指在机器人单独作业轨迹获得后，在各条轨迹上***时间点同步标识。

在上述回转类结构件的多机器人加工方法中，还包括：

当任一机器人完成当前待加工型面的加工后，通过场景实时定位***(1)引导所述任一机器人移动至下一待加工型面所在位置，对下一待加工型面进行加工。

在上述回转类结构件的多机器人加工方法中，对待加工型面的加工，包括：铣削、钻孔打磨中的至少一种。

本发明具有以下优点：

(1)本发明公开了一种回转类结构件的多机器人加工方法，适用于大型回转类结构的协同原位制造，使用多个制造单元并行完成一个大型回转类结构的加工任务，实现大型回转类结构上多个加工面并行铣削、制孔与打磨，并行作业的方法可有效提高大型回转类结构的自动化水平和加工效率。

(2)本发明采用大范围灵活移动的全向平台和局部高精度调整的机器人组成的多机器人。在全向平台到达粗略位置后，通过调整各机器人的位姿实现精确定位，这样即能够适应大型结构加工范围大，同时又能保证局部加工的尺寸精度满足要求。

(3)本发明采用多台不同类型的机器人实现不同尺度、精度要求的型面加工，即消除了各类机器人结构功能、行程和精度的限制。

(4)在本发明中，各台机器人单独作业轨迹获得后，在各条轨迹上***时间点同步标识。先到达的机器人会在该点中止，并等待其他机器人，直到所有机器人到达该同步标识后，再继续按照轨迹执行，这样即保证了各机器人运动切削参数设置合理，调整灵活，又能兼顾多机器人移动过程中的安全，保证多机器人协同作业过程不会发生干涉碰撞。

(5)相比于单机器人制造单元，多机器人***在时间和空间分布性上更具优越性，检测传感信息有效互补、自适应实现多种加工需求、基于先进的协作架构和协同策略完成复杂加工任务。

附图说明

图1是本发明实施例所述的一种回转类结构件的多机器人加工方法的步骤流程图；

图2是本发明实施例所述的一种回转类结构件的多机器人加工场景示意图；

图3是本发明实施例所述的一种回转类结构件的多机器人加工的流程示意图；

图4是本发明实施例所述的一种各机器人轨迹上***时间点同步标识后的执行时序原理图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明公开的实施方式作进一步详细描述。

如图1～3，在本实施例中，该回转类结构件的多机器人加工方法，包括：

步骤101，对场景实时定位***1、至少两个机器人和回转工件位姿保持与调整***7进行初始化。

场景实时定位***1由若干台室内GPS发射站和安装在全向移动平台上的接收站组成，负责将各台机器人的全向移动平台引导到位，使各台机器人上的串联、并联机械臂运动范围能够覆盖待加工型面。

至少两个机器人具体可以包括：移动式混联机器人2、移动式串联铣削机器人3、移动式双臂加工机器人4、移动式串联打磨机器人5和吸附式并联机器人6。其中：

移动式混联机器人2由大范围调整的全向移动平台、串联运动机构和高精度并联机器人组成，适用于公差要求在±0.2mm范围内，型面尺寸较小(≤300mm×300mm)、公差要求最高的待加工型面的铣削和钻孔。

移动式串联铣削机器人3由大范围调整的全向移动平台、6自由度工业机器人和高精度钻铣末端执行器组成，适用于公差要求在±0.5mm范围内，型面尺寸较大(＞300mm×300mm)，加工精度和刚度次之的待加工型面的铣削和钻孔。

移动式双臂加工机器人4由大范围调整的全向移动平台、两台六自由度工业机器人、一个主轴和一个抓手组成，其中，一台六自由度工业机器人上安装主轴，另一台六自由度工业机器人上安装抓手；适用于弱刚性的待加工型面的钻铣。在加工过程中一个机械臂抓手夹持零件侧面增加刚度，另一个进行钻铣加工。

移动式串联打磨机器人5由大范围调整的全向移动平台、六自由度工业机器人和打磨末端执行器组成，适用于粗糙度要求不低于Ra0.8的待加工型面的磨抛。

吸附式并联机器人6由真空吸盘、支腿、并联机器人组成，在并联机器人的末端安装有1根主轴；适用于移动式混联机器人2、移动式串联铣削机器人3、移动式双臂加工机器人4和移动式串联打磨机器人5行程无法覆盖的、处于待加工回转类结构件顶部的待加工型面，减少待加工回转类结构件的旋转次数，在一个工位上完成更多的待加工型面的加工，实现加工效率的提升。

回转工件位姿保持与调整***7：实现对待加工回转类结构件的支撑和定位，增加待加工回转类结构件在加工过程的刚性和稳定支撑。

在本实施例中，如前所述，移动式混联机器人精度、刚度高，适合公差要求最高的型面铣削和钻孔，但其加工范围不够大。移动式串联铣削机器人加工范围大，但加工精度和刚度次之。移动式双臂加工机器人在加工过程中一个机械臂抓手夹持零件侧面增加刚度，另一个进行钻铣加工，适用于低刚度型面的加工。移动式串联打磨机器人适用于有粗糙度要求的加工面，适用于密封性要求的安装面。

步骤102，生成用于指导所述至少两个机器人工作的多机器人协同作业指导书。

在本实施例中，可以先确定待加工回转类结构件的设计模型；然后，根据设计模型中的加工部位、加工公差、加工面的尺度特征、加工面的高度特征的分布规律，确定移动式混联机器人2、移动式串联铣削机器人3、移动式双臂加工机器人4、移动式串联打磨机器人5和吸附式并联机器人6在待加工回转类结构件上的加工空间的划分；确定移动式混联机器人2、移动式串联铣削机器人3、移动式双臂加工机器人4、移动式串联打磨机器人5和吸附式并联机器人6在对应的加工空间上的加工轨迹；最后，对各机器人的加工轨迹进行轨迹拼接，形成多机器人协同作业指导书。

优选的：

加工部位是指：待加工回转类结构件安装在回转工件位姿保持与调整***7上，并旋转至固定角度后，各个待加工型面所在空间位置，包括：侧壁加工部位、顶部加工部位和底部加工部位。其中，移动式机器人(移动式混联机器人2、移动式串联铣削机器人3、移动式双臂加工机器人4、移动式串联打磨机器人5)可覆盖侧壁加工部位，吸附式机器人(吸附式并联机器人6)可覆盖顶部和底部加工部位。

加工公差，分为高精度等级(±0.2mm)、较高精度等级(±0.5mm)和一般精度等级(±1mm及以上)三种。其中：移动式混联机器人2可完成上述三种精度等级的加工；移动式串联铣削机器人3可完成较高精度等级和一般精度等级的加工；移动式双臂加工机器人4、移动式串联打磨机器人5和吸附式并联机器人6可完成一般精度等级的加工。

加工面的尺度特征分为：较大加工面(长×宽＞300mm×300mm)和较小加工面(长×宽≤300mm×300mm)两类。其中：移动式混联机器人2和吸附式并联机器人6的加工范围只能覆盖较小加工面；移动式串联铣削机器人3、移动式双臂加工机器人4和移动式串联打磨机器人5的加工范围可覆盖较大加工面。

加工面的高度特征是指待加工型面距离待加工回转类结构件半径的距离差，分为较高加工面(高度＞300mm)、一般加工面(高度在100mm-300mm之间)、较低加工面(高度≤100mm)三类。其中：移动式双臂加工机器人4可完成上述三类高度不同的面型加工，移动式双臂加工机器人4上的一套工业机器人末端抓手抓住被加工零件以提高支撑刚性，另一套工业机器人末端主轴进行加工；移动式混联机器人2和移动式串联铣削机器人3可完成一般加工面和较低加工面的加工；移动式串联打磨机器人5和吸附式并联机器人6只能完成较低加工面的加工。

优选的，可将待加工回转类结构件上需要加工的待加工型面，按照确定的设计模型中的加工部位、加工公差、加工面的尺度特征、加工面的高度特征的所在结构件上的空间位置进行划分，以确定对应空间位置上适用的机器人的种类。按照如下优选顺序(“最佳经济性”原则)选择机器人的种类：优先选择顺序为：吸附式并联机器人6→移动式串联打磨机器人5→移动式双臂加工机器人4→移动式串联铣削机器人3→移动式混联机器人2。也即，在满足需求的同时，选择成本最低的加工机器人优先加工。

优选的，当加工空间已和机器人对应完成后，将同一台机器人在不同空间上的加工轨迹进行连接，以此形成机器人完整的加工路径，加工路径，包括：移动平台的站位、机器人的作业轨迹。

优选的，如图4，多机器人协同作业指导书是指在机器人单独作业轨迹获得后，在各条轨迹上***时间点同步标识。各台机器人运动时，会在相同的时间达到相同的时间点同步标识。先到达的机器人会在该点中止，并等待其他机器人，直到所有机器人到达该同步标识后，再继续按照轨迹执行，以此保证各机器人在同步作业时不会发生干涉碰撞。

步骤103，将待加工回转类结构件固定在回转工件位姿保持与调整***7上。

步骤104，通过场景实时定位***1控制各机器人移动至所述多机器人协同作业指导书中所指示的相应加工位置。

在本实施例中，可以通过场景实时定位***1控制各机器人移动至大概位置。其中，大概位置是指：移动式机器人和吸附式机器人在场景实时定位***1的引导下移动到使机器人上的串联、并联机械臂运动范围能够覆盖被加工面。场景实时定位***1的引导精度达到10mm级即可，为保证能够达到±0.2mm的公差精度，需要串联、并联机械臂进行进一步调整达到。

步骤105，各机器人根据所述多机器人协同作业指导书进行位姿调整，以确定加工刀具与待加工型面之间的高精度位姿关系。

步骤106，各机器人根据所述多机器人协同作业指导书，对待加工回转类结构件上对应的待加工型面进行加工。

本说明中的各个实施例均采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可。

以上所述，仅为本发明最佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

本发明说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员的公知技术。

Claims (8)

1.一种回转类结构件的多机器人加工方法，其特征在于，包括：

对场景实时定位***(1)、至少两个机器人和回转工件位姿保持与调整***(7)进行初始化；

生成用于指导所述至少两个机器人工作的多机器人协同作业指导书；

将待加工回转类结构件固定在回转工件位姿保持与调整***(7)上；

通过场景实时定位***(1)控制各机器人移动至所述多机器人协同作业指导书中所指示的相应加工位置；

各机器人根据所述多机器人协同作业指导书进行位姿调整，以确定加工刀具与待加工型面之间的高精度位姿关系；

各机器人根据所述多机器人协同作业指导书，对待加工回转类结构件上对应的待加工型面进行加工；

其中：

至少两个机器人，包括：移动式混联机器人(2)、移动式串联铣削机器人(3)、移动式双臂加工机器人(4)、移动式串联打磨机器人(5)和吸附式并联机器人(6)；其中，移动式混联机器人(2)适用于公差要求在±0.2mm范围内，型面尺寸≤300mm×300mm的待加工型面的铣削和钻孔；移动式串联铣削机器人(3)适用于公差要求在±0.5mm范围内，型面尺寸＞300mm×300mm的待加工型面的铣削和钻孔；移动式双臂加工机器人(4)适用于弱刚性的待加工型面的钻铣；移动式串联打磨机器人(5)适用于粗糙度要求不低于Ra0.8的待加工型面的磨抛；吸附式并联机器人(6)适用于移动式混联机器人(2)、移动式串联铣削机器人(3)、移动式双臂加工机器人(4)和移动式串联打磨机器人(5)行程无法覆盖的、处于待加工回转类结构件顶部的待加工型面，减少待加工回转类结构件的旋转次数，在一个工位上完成更多的待加工型面的加工，实现加工效率的提升；

生成用于指导所述至少两个机器人工作的多机器人协同作业指导书，包括：确定待加工回转类结构件的设计模型；根据设计模型中的加工部位、加工公差、加工面的尺度特征、加工面的高度特征的分布规律，确定移动式混联机器人(2)、移动式串联铣削机器人(3)、移动式双臂加工机器人(4)、移动式串联打磨机器人(5)和吸附式并联机器人(6)在待加工回转类结构件上的加工空间的划分；确定移动式混联机器人(2)、移动式串联铣削机器人(3)、移动式双臂加工机器人(4)、移动式串联打磨机器人(5)和吸附式并联机器人(6)在对应的加工空间上的加工轨迹；对各机器人的加工轨迹进行轨迹拼接，形成多机器人协同作业指导书。

2.根据权利要求1所述的回转类结构件的多机器人加工方法，其特征在于，

加工部位是指：待加工回转类结构件安装在回转工件位姿保持与调整***(7)上，并旋转至固定角度后，各个待加工型面所在空间位置，包括：侧壁加工部位、顶部加工部位和底部加工部位；

加工公差，包括：±0.2mm的高精度等级加工公差、±0.5mm的较高精度等级加工公差和±1mm及以上的一般精度等级加工公差；

加工面的尺度特征，包括：长×宽＞300mm×300mm的较大待加工型面和长×宽≤300mm×300mm的较小待加工型面；

加工面的高度特征是指待加工型面距离待加工回转类结构件半径的距离差，包括：高度＞300mm的较高待加工型面、高度在100mm-300mm之间的一般待加工型面和高度≤100mm的较低待加工型面。

3.根据权利要求2所述的回转类结构件的多机器人加工方法，其特征在于，根据设计模型中的加工部位、加工公差、加工面的尺度特征、加工面的高度特征的分布规律，确定移动式混联机器人(2)、移动式串联铣削机器人(3)、移动式双臂加工机器人(4)、移动式串联打磨机器人(5)和吸附式并联机器人(6)在待加工回转类结构件上的加工空间的划分，包括：

将待加工回转类结构件上需要加工的待加工型面，按照确定的设计模型中的加工部位、加工公差、加工面的尺度特征、加工面的高度特征的所在结构件上的空间位置进行划分，以确定对应空间位置上适用的机器人的种类。

4.根据权利要求3所述的回转类结构件的多机器人加工方法，其特征在于，在确定对应空间位置上适用的机器人的种类时，按照如下优选顺序选择机器人的种类：优先选择顺序为：吸附式并联机器人(6)→移动式串联打磨机器人(5)→移动式双臂加工机器人(4)→移动式串联铣削机器人(3)→移动式混联机器人(2)。

5.根据权利要求1所述的回转类结构件的多机器人加工方法，其特征在于，当加工空间已和机器人对应完成后，将同一台机器人在不同空间上的加工轨迹进行连接，以此形成机器人完整的加工路径，加工路径，包括：移动平台的站位、机器人的作业轨迹。

6.根据权利要求5所述的回转类结构件的多机器人加工方法，其特征在于，多机器人协同作业指导书是指在机器人单独作业轨迹获得后，在各条轨迹上***时间点同步标识。

7.根据权利要求1所述的回转类结构件的多机器人加工方法，其特征在于，还包括：

当任一机器人完成当前待加工型面的加工后，通过场景实时定位***(1)引导所述任一机器人移动至下一待加工型面所在位置，对下一待加工型面进行加工。

8.根据权利要求1所述的回转类结构件的多机器人加工方法，其特征在于，对待加工型面的加工，包括：铣削、钻孔打磨中的至少一种。

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