CN111055282A - 一种海洋颠簸环境下零件修造加工的自稳定辅助结构 - Google Patents

Abstract

本发明是一种海洋颠簸环境下零件修造加工的自稳定辅助结构，该自稳定辅助结构包括一个三轴平衡平台(1)和一个五轴机器人(2)，在三轴平衡平台(1)的工作台面(3)上设置三轴陀螺(4)和待加工工件(5)，在五轴机器人(2)机械臂执行末端安装一个六轴传感器(6)和一个视觉传感器(7)，在颠簸环境下，三轴平衡平台依赖安装在其上的陀螺仪测量被加工工件的角速度运动数据，并反馈至控制***，控制工件的对地位姿水平稳定。五轴机器人依赖自身各关节转角传感器以及安装于执行末端的六轴陀螺仪和视觉传感器测量计算得到的执行末端运动数据，并反馈修正机器人各关节驱动***，以保证执行末端的对地运动稳定性以及与被加工工件之间的相对运动路径精度满足修造加工的要求，进一步保证零件修造部位的精度和质量。

Description

一种海洋颠簸环境下零件修造加工的自稳定辅助结构

技术领域

本发明是一种海洋颠簸环境下零件修造加工的自稳定辅助结构，属于产品的成型技术领域。

背景技术

随着全球经济与贸易的发展，世界船舶航运市场也得到空前发展。海洋盐雾环境下，船舶自身及其装载的船上设备发生加速失效进而对零部件替换和维修提出需求。而远洋任务、船舶体量、港口进出计划等错综复杂的情况使得海洋船载装备无法像陆上固定设备或相应的车用装备一样方便维修。现有船舶设备零部件维修模式从最初的事后修理发展到计划性修理、再到针对性维修体制，仍无法解决大量零部件失效后无法回复原设计工况的问题，需要携带大量全品类备件随行，占用大量船运空间资源。

因此船上破损装备的在船修造是解决这一问题的最有效途径。而作为具有前沿性、先导性的新兴技术，3D打印/增材修复具有自由快速成型、灵活高柔性的特点，高度适应失效破损零部件在船修造的应用场景和需求。但由于行进中的舰船平台多轴向上的稳定性极差，速度、加速度多变复杂，要实现在船的增材制造加工，并且还要保证加工零件达到一定精度和强度要求，困难重重。

为了解决以上问题，保证零件在船修造加工的稳定性，进而保证零件在船修造的加工质量与精度，需要研发一种海洋颠簸环境下零件修造加工的自稳定辅助结构。

发明内容

本发明正是针对上述现有技术中存在的不足而设计提供了一种海洋颠簸环境下零件修造加工的自稳定辅助结构，其目的是在随海洋颠簸的船只上，实现加工执行机构与被加工件的相对位姿稳定，保证船用中小型零部件损伤进行的在船修造零件的精度和质量。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：

该种海洋颠簸环境下零件修造加工的自稳定辅助结构，其特征在于：该自稳定辅助结构包括一个三轴平衡平台1和一个五轴机器人2，在三轴平衡平台1的工作台面3上设置三轴陀螺4和待加工工件5，在五轴机器人2机械臂执行末端安装一个六轴传感器6和一个视觉传感器7，该自稳定辅助结构的控制方式包括：

用三轴陀螺4测量工作台面3的三轴角速度信号，计算工作台面3对地的角速度稳定控制量，并根据该控制量保持工作台面3的稳定；

用六轴传感器6测量五轴机器人2的机械臂执行末端的轴加速度及绕轴的角速度，计算五轴机器人2的机械臂执行末端的对地应实施的角速度、加速度的稳定控制量，并根据该控制量控制机械臂执行末端的位姿稳定，以保证其在加工过程中沿目标加工路径平稳运行；

用视觉传感器7采集五轴机器人2的机械臂执行末端指向方向的图像，通过图像识别得到机械臂执行末端与待加工工件5的相对运动速度与相对角速度，计算机械臂执行末端的对地应实施的角速度、加速度的稳定控制量，并根据该控制量控制机械臂执行末端的相对位姿稳定。

在一种实施中，所述三轴平衡平台1包括俯仰轴8、俯仰框9、横滚轴10、横滚框11、偏航轴12和工作台面3，工作台面3绕偏航轴12旋转。

本发明技术方案中所述三轴平衡平台1用于保证待加工工件5始终保持稳定水平位姿，在三轴平衡平台1的工作台面3上设置三轴陀螺4和待加工工件5的作用是保证二者角向运动一致，三轴陀螺4测量得到的三轴角速度信号用于反馈控制工作台面3保持水平及偏航方向的稳定。

本发明技术方案中所述的五轴机器人2是一个能够实现五轴联动的串联结构机器人，五轴机器人2机械臂执行末端安装的一个六轴传感器6用于测量加工执行末端的X、Y、Z轴加速度及绕X、Y、Z轴的角速度，六轴传感器6测试得到的运动数据信号用于反馈控制机器人执行末端的位姿，并保证其在加工过程中沿目标加工路径平稳运行；五轴机器人2机械臂执行末端安装的视觉传感器7在进行修造加工时，拍摄识别加工执行末端与工件之间的相对运动位姿数据，反馈至控制***，对五轴机器人各执行***进行控制。视觉传感器7测量数据与六轴传感器6测量数据以及机器人自带的各关节运动数据计算得到的机械臂执行末端位姿数据三方进行对照校准处理用于反馈控制，保证机器人执行末端加工路径的准确性和平稳性，进一步保证零件修造部位的精度和质量。

本发明的有益效果：

(1)本发明提供一种海洋颠簸环境下零件修造加工的自稳定辅助结构，通过分别控制用于安装工件的三轴平衡平台和用于加工的机器人稳定加工结构各自的平稳性，来保证工件和加工执行元件(如增材3D打印头、微切削铣刀等)之间的相对位姿稳定性，其中，三轴平衡平台各轴的转角速率都由安装在其上的三轴陀螺测量数据来反馈进行各轴转动状态的校正控制，共同保证工件安装台面的水平位姿稳定。五轴机器人的执行末端运动位姿状态数据由一个六轴传感器和机器人各关节运动测量数据相互对比来反馈并进行机器人各关节的运动控制，以实现加工执行元件在海洋颠簸条件下的位姿稳定；

(2)在以上测量反馈控制措施之外，本发明在机器人机械臂执行末端增加一个视觉传感器。通过视觉追踪测量得到加工头与工件之间的相对位姿数据，与目标加工路径、目标位姿对比，反馈微调平衡平台和机器人加工结构的驱动机构，最终保证加工头和被加工工件的相对位姿高精度；

附图说明

图1为本发明的自稳定辅助结构的结构示意图

图2为本发明的自稳定辅助结构的稳定控制逻辑示意图

具体实施方式

下面结合附图对本发明做详细举例说明。虽然附图中显示了本公开的示例性实施例，然而应当理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供实施例是为了能够更透彻地理解本公开，并且能够将本公开的范围完整地传达给本领域的技术人员。需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。

实施例

如图1所示，该种海洋颠簸环境下零件修造加工的自稳定辅助结构包括一个三轴平衡平台1和一个五轴机器人2。该结构用于海洋航行中的船舶上零件破损位置的3D打印修补，五轴机器人2的执行末端安装一个3D打印头，用于向工件5破损部位增加修复材料。

三轴平衡平台1用于保证被加工工件5始终保持稳定位姿，其结构包括俯仰轴8(X轴)、俯仰框9(绕X轴旋转)、横滚轴10(Y轴)、横滚框11(绕Y轴旋转)、偏航轴12(Z轴)、偏航框(与Z轴固连)、工作台面3(绕Z轴旋转)、三轴陀螺4。

其中，三轴陀螺4与工件5共同设置在工作台面3上，以保证二者处于同样的运动环境中。三轴陀螺4用于测量工作台面3(即工件5)上的三轴角速度信号，并传递至控制卡，经由角速度稳定控制程序计算角速度控制量，发回控制平台各轴驱动电机，保持当前工作台面3的位姿稳定。

五轴机器人2执行末端上安装一个六轴传感器6和一个视觉传感器7。五轴机器人2采用串联结构，各轴关节均有一个驱动电机保证该关节的角运动，同时均具有一个角度测量光栅用于测量各关节的转角。建立全局坐标系Σ₀{O₀|X₀，Y₀，z₀}，六轴传感器6安装于五轴机器人2的机械臂执行末端，与3D打印加工头保持相同位置姿态，用于测量加工执行末端的轴加速度及绕轴的角速度。六轴传感器6采集得到的运动数据信号传递至控制卡，经由角速度、速度稳定控制程序，将当前加工执行末端原有加工路径上的运动速度目标量分离之后，计算应实施的角速度、加速度的稳定控制量，发回控制机器人关节驱动电机，保证机器人执行末端(3D打印头)的位姿稳定，保证其在加工过程中沿目标加工路径平稳运行。

由于海洋航行中船舶随海浪颠簸，船上设备晃动剧烈。为了进一步保证3D打印加工头与被修补工件5上破损位置的相对稳定，在五轴机器人2机械臂执行末端安装一个视觉传感器7。视觉传感器7为高清摄像头，其与3D打印加工头和六轴传感器6保持相同位置姿态，用于拍摄3D打印头指向方向所能看到的景象。当五轴机器人进行工件的修造加工时，视觉传感器7连续拍摄被加工工件区域图像，通过图像识别软件动态识别被加工破损区域的精确边界在视场中的时变位移，随后代入空间计算程序分析当前机械臂执行末端安装的3D打印头与工件待修补破损区域之间的相对位置变化量(包括距离、速度、角速度)。所得数据与六轴传感器6以及机器人2自带的各关节运动数据推导得到的机械臂执行末端位姿数据三方进行对照校准后，反馈至控制***，对五轴机器人2上关节驱动电机进行控制，保证机械臂执行末端加工路径的准确性和平稳性，进一步保证工件破损部位修补后的精度和质量。

综上，当整套***结构处于颠簸环境下时，三轴平衡平台1通过三轴陀螺4、平台转轴驱动电机及自身稳定控制***来保证安装在平台上的工件5的位姿始终保持对地(全局坐标系∑₀{O₀|X₀，Y₀，z₀})水平及稳定；五轴机器人2通过固连安装在其执行末端的六轴传感器6、机器人内置驱动电机和自身稳定控制***来保证执行末端位姿的对地(全局坐标系∑₀{O₀|X₀，Y₀，z₀})稳定；同时，通过视觉传感器7测量的机械臂执行末端与工件5被修补区域的相对运动数据来分析判定前述二者对地稳定控制的效果，并进一步修正控制策略，最终保证颠簸环境下机械臂执行末端与工件5之间的相对运动稳定，随之保证工件破损部位修补后的精度和质量。控制逻辑如图2。

本发明未详细阐述部分属于本领域公知技术。凡采用等同变换或者等效替换而形成的技术方案，均落在本发明权利保护范围之内。

Claims (2)

1.一种海洋颠簸环境下零件修造加工的自稳定辅助结构，其特征在于：该自稳定辅助结构包括一个三轴平衡平台(1)和一个五轴机器人(2)，在三轴平衡平台(1)的工作台面(3)上设置三轴陀螺(4)和待加工工件(5)，在五轴机器人(2)机械臂执行末端安装一个六轴传感器(6)和一个视觉传感器(7)，该自稳定辅助结构的控制方式包括：

用三轴陀螺(4)测量工作台面(3)的三轴角速度信号，计算工作台面(3)对地的角速度稳定控制量，并根据该控制量保持工作台面(3)的稳定；

用六轴传感器(6)测量五轴机器人(2)的机械臂执行末端的轴加速度及绕轴的角速度，计算五轴机器人(2)的机械臂执行末端的对地应实施的角速度、加速度的稳定控制量，并根据该控制量控制机械臂执行末端的位姿稳定，以保证其在加工过程中沿目标加工路径平稳运行；

用视觉传感器(7)采集五轴机器人(2)的机械臂执行末端指向方向的图像，通过图像识别得到机械臂执行末端与待加工工件(5)的相对运动速度与相对角速度，计算机械臂执行末端的对地应实施的角速度、加速度的稳定控制量，并根据该控制量控制机械臂执行末端的相对位姿稳定。

2.根据权利要求1所述的海洋颠簸环境下零件修造加工的自稳定辅助结构，其特征在于：所述三轴平衡平台(1)包括俯仰轴(8)、俯仰框(9)、横滚轴(10)、横滚框(11)、偏航轴(12)和工作台面(3)，工作台面(3)绕偏航轴(12)旋转。

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