一种两级定位自由变域机械加工机及其两级定位方法

摘要

本发明公开了一种两级定位自由变域机械加工机，包括轮式行走变域装置，所述轮式行走变域装置的行走主体设置有驱动轮组件和自由轮组件，驱动轮组件与数控装置连接，行走主体的四边各配置有超声波传感器；轮式行走变域装置上表面设置有五轴数控操作机的回转台组件，回转台组件与机械臂组件、摆动组件和俯仰组件依次连接，俯仰组件上安装有定位视觉传感器和电主轴组件。本发明还公开了一种上述两级定位自由变域机械加工机的两级定位方法，在加工对象上设置有相应标识物，与自由变域机械加工机的数控装置配合，依次完成轮式行走变域装置的第一级定位和五轴数控操作机的第二级定位。本发明装置及方法的悬臂刚度高，比刚度高，定位精度高。

说明书

技术领域

本发明涉及一种作业区域可变的变域机械加工机，特别涉及一种能够沿自由路径自动变更作业区域、在加工作业站点两级定位、操作机悬臂比刚度高的两级定位自由变域机械加工机，本发明还涉及该种变域机械加工机的两级定位方法。

背景技术

机械加工机，即直角坐标形式的数控机床和关节坐标形式的加工机器人等机械加工装备统称为机械加工机，一般固定安装在车间的某个位置(其机座相对大地坐标系的位置是固定的)、且最大加工范围(即作业区域)是一定的(作业区域的大小由机械加工机各个运动轴的运动行程确定)，这种机座位置固定、作业区域一定的机械加工机可称为定域机械加工机。

机座位置相对大地坐标系的位置是可变的机械加工机可称为变域机械加工机，一般变域机械加工机是采用机座沿导轨、轨道、传送带等硬件连续引导装置的路径运动来改变作业区域的方式进行变域，要改变路径必须重新配置硬件连续引导装置，这种不能随机地、自由地变更路径的变域机械加工机可称为非自由路径变域机械加工机。

大型零件(如大型油气罐、工程机械、列车、船舶、飞机等)的加工或装配往往有若干个部位需要进行铣、钻、扩、铰、螺纹等切削加工或铆、焊加工，在不同的加工部位进行加工可称为加工工位，每个加工工位需要加工的尺寸不大，但各个加工工位之间的距离可能很大，可达数米甚至数十米，因此加工机在每个加工工位所需的运动行程(可称为加工工作行程)并不大，但要完成各个加工工位的加工需要的总行程很大(从一个加工工位到另一个加工工位所需的行程可称为变域行程，总行程包括加工工作行程和变域行程)。特别是当加工工位之间的距离较大、工位的分布又是随机的(从一个工位到另一个工位的路径是自由路径)、或大型筒状零件的内腔需要多个部位进行加工时，采用定域机械加工机和非自由路径变域机械加工机都很难实现或无法实现。

另外在装配生产线上也往往需要在现场进行一些配作加工，如配作螺纹孔、配作定位销孔、拧螺丝等工作，不同的加工工位之间距离也较大。

最大作业领域可沿自由路径变更的机械加工机可称为自由路径变域机械加工机(可简称自由变域机械加工机)。自由变域机械加工机由导向控制装置、变域装置、加工作业装置(又称操作机)等组成。导向控制装置自动控制变域装置沿自由路径移动到各个作业站点(即完成变域功能)，由控制装置自动控制操作机完成加工作业(即完成加工功能)。

采用自由变域机械加工机完成上述任务具有突出的优势：1)先由变域装置移动到一个加工工位，由操作机进行加工，一个工位的加工完成后，再由变域装置移动到另一个加工工位，重复上述循环，直到全部加工任务完成，由于操作机只负责加工工位的加工，因此操作机各个运动轴的工作行程不需要很大，变域装置负责完成各个加工工位之间的运动，其变域行程可以很大，故总的行程可以很大，作业区域可以很大；2)因为不需设置硬件连续引导装置，变域装置可沿自由路径运动，故自由变域机械加工机可以方便地解决多个随机分布工位加工时的变域问题；3)因无硬件连续引导装置，方便解决大型零件(如大型油气罐)的内腔表面需要多个部位加工时的变域问题。

沿自由路径运动的变域装置可采用轮式行走装置，其变域行程可以非常大，沿自由路径变域方便，但轮式行走装置是依靠轮子行走(就像汽车相对地面运动)，定位精度比较低，一般定位精度在数毫米量级。自由变域机械加工机对加工作业定位精度要求比较高，期望在10-1毫米量级以下，而进行加工大型零件的多个部位时，需要轮式行走装置在不同加工部位之间移动，因此提高自由变域机械加工机的定位精度是关键。

现有的完全串联原理机械加工机，其主要优点是灵活性好，作业空间大；主要缺点是各轴的运动误差累加，悬臂结构的比刚度(刚度与质量之比)弱。现有的并联原理机构，其主要优点是运动件质量小，比刚度高，各分支运动误差不累加，精度高；主要缺点是回转运动范围小。将串联和并联原理结合起来兼具二者优点的混联原理机构是非常具有实用价值的新型原理机构，特别是当大型零件加工工位的高度差别大时(有的加工工位很高，有的较低)，每个加工工位需要加工的尺寸不大，需要操作机的机械臂很长，因此提高操作机长臂的悬臂刚度是关键；对自由变域机械加工机而言，负责加工任务的操作机乘坐在轮式行走装置上，操作机的自重是轮式行走装置的负载，因此减小操作机的自重对提高其比刚度也至关重要。

发明内容

本发明的目的是提供一种两级定位自由变域机械加工机，能对大型零件多个内、外表面加工部位进行自由路径变域加工，具有加工作业站点定位精度高、操作机长臂的悬臂刚度高和操作机的悬臂比刚度高的特点。

本发明的另一目的是提供一种上述两级定位自由变域机械加工机的两级定位方法。

本发明所采用的技术方案是，一种两级定位自由变域机械加工机，包括轮式行走变域装置、五轴数控操作机和控制部分，

所述轮式行走变域装置的结构是，包括行走主体，行走主体中设置有数控装置，行走主体的左右各设置有一个驱动轮组件，驱动轮组件与数控装置连接，行走主体的前后各设置有一个自由轮组件，行走主体的四边各设置有超声波传感器；

所述五轴数控操作机的结构是，包括设置在轮式行走变域装置的行走主体上表面的回转台组件，回转台组件上安装有并联原理的机械臂组件，机械臂组件与摆动组件连接，摆动组件与俯仰组件连接，俯仰组件上安装有定位视觉传感器和电主轴组件；

控制部分包括操作机控制部分和轮式行走变域装置控制部分，

其中的操作机控制部分包括操作机定位标识物、定位视觉传感器、数控装置、五轴数控操作机的伺服驱动，数控装置与定位视觉传感器和五轴数控操作机的伺服驱动分别连接，操作机定位标识物设置在加工对象上，定位视觉传感器用于采集操作机定位标识物的图像数据；

其中的轮式行走变域装置控制部分包括上述的行走定位标识物、位姿校正标识物、驱动轮组件的伺服驱动、数控装置、超声波传感器，数控装置与驱动轮组件的伺服驱动和超声波传感器分别连接，行走定位标识物和位姿校正标识物设置在加工对象上，超声波传感器用于采集行走定位标识物和位姿校正标识物的超声波反射信号。

本发明所采用的另一技术方案是，一种两级定位自由变域机械加工机的两级定位方法，该方法利用一种两级定位自由变域机械加工机进行位姿校正和两级定位，该两级定位自由变域机械加工机的结构是，包括轮式行走变域装置、五轴数控操作机和控制部分，

所述轮式行走变域装置的结构是，包括行走主体，行走主体中设置有数控装置，行走主体的左右各设置有一驱动轮组件，驱动轮组件与数控装置连接，行走主体的前后各设置有一自由轮组件，行走主体的四边各配置有超声波传感器；

所述五轴数控操作机的结构是，包括设置在轮式行走变域装置的行走主体上表面的回转台组件，回转台组件上安装有并联原理的机械臂组件，机械臂组件与摆动组件连接，摆动组件与俯仰组件连接，俯仰组件上安装有定位视觉传感器和电主轴组件；

在加工对象上设置与加工部位对应的操作机定位标识物、行走定位标识物和位姿校正标识物；

控制部分包括操作机控制部分和轮式行走变域装置控制部分，其中的操作机控制部分包括操作机定位标识物、定位视觉传感器、数控装置、五轴数控操作机的伺服驱动，数控装置与定位视觉传感器和五轴数控操作机的伺服驱动分别连接，定位视觉传感器用于采集操作机定位标识物的图像数据；其中的轮式行走变域装置控制部分包括上述的行走定位标识物、位姿校正标识物、驱动轮组件的伺服驱动、数控装置、超声波传感器，数控装置与驱动轮组件的伺服驱动和超声波传感器分别连接，超声波传感器用于采集行走定位标识物和位姿校正标识物的超声波反射信号；

依据上述装置，按照以下步骤实施两级定位：

步骤1)、在两级定位自由变域机械加工机前往加工站点的过程中，通过轮式行走变域装置中的超声波传感器在行走途中进行避障探测，将得到的超声波反射信息及时输入数控装置进行处理，控制驱动轮组件动作，避免与其他无关物体碰撞，在轮式行走变域装置到达加工站点之前，超声波传感器与预设的位姿校正标识物配合采集相互之间的超声波反射参数，通过数控装置及时进行位置计算并控制驱动轮组件动作，调节轮式行走变域装置的两个自由度变化，进行位姿校正得到轮式行走变域装置的一个初步定位；然后，超声波传感器再与预设的定位标识物配合，对轮式行走变域装置进行最终定位，实现两级定位自由变域机械加工机的第一级定位；

步骤2)、通过五轴数控操作机的视觉定位传感器采集定位标识物的图像位置数据，数控装置及时进行计算并控制回转台组件、机械臂组件、摆动组件及俯仰组件连接的伺服驱动动作，调节五自由度的各组件状态相应变化，通过并联原理的机械臂组件实现立面的Z、Y两轴运动，通过回转台组件实现回转运动θ_Z，通过摆动组件实现摆动运动θ_Y，通过俯仰组件实现俯仰运动θ_X，协调配合共同实现操作机电主轴组件的定位，实现两级定位自由变域机械加工机的第二级定位。

本发明的两级定位自由变域机械加工机及其两级定位方法，采用轮式行走变域装置，可以方便地实现自由路径变域；通过采用位姿校正和两级定位方式，首先在第一级定位前先进行轮式行走变域装置的位姿校正，再进行轮式行走变域装置的第一级定位，最后进行操作机的第二级定位，定位精度高；立面的Z、Y两轴运动组件采用并联原理机械臂机构，长臂的悬臂刚度高、悬臂比刚度高。

附图说明

图1为本发明方法的两级定位自由变域机械加工机移动路线示意图，其中的A、B、C、D处为加工对象上待加工部位；

图2为本发明装置的结构示意图；

图3为本发明装置中的轮式行走变域装置的结构示意图；

图4为本发明装置中的机械臂组件结构示意图。

图中，1.轮式行走变域装置，2.回转台组件，3.机械臂组件，4.摆动组件，5.俯仰组件，6.定位视觉传感器，7.电主轴组件，8.加工对象，9.加工部位，10.行走定位标识物，11.位姿校正标识物，12.操作机定位标识物，13.自由路径，14.变域机械加工机；1-1.行走主体，1-2.驱动轮组件，1-3.数控装置，1-4.自由轮组件，1-5.超声波传感器；3-1.立柱，3-2.连杆a，3-3.移动副a，3-4.回转副a，3-5.回转副b，3-6.回转副c，3-7.移动副b，3-8.连杆b，3-9.连杆c，3-10.回转副d，3-11.连接板，3-12.复合回转副。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。

图1是本发明方法的两级定位自由变域机械加工机移动路线示意图，加工对象8(大型零件)有多个加工部位(也可为内、外表面)，其中的A、B、C、D处为待加工部位，本发明的两级定位自由变域机械加工机14能够实现沿自由路径13移动，依次完成在A、B、C、D处的外侧定位及操作。本发明装置及其方法也可实现大型工件的内部定位及操作。

图2是本发明两级定位自由变域机械加工机的结构示意图，包括轮式行走变域装置1，轮式行走变域装置1上安装有五轴数控操作机的主机(包括θ_Z、Z、Y、θ_Y、θ_X五个自由度，以下将五轴数控操作机的主机简称操作机)，该操作机的回转台组件2安装在轮式行走变域装置1上表面，回转台组件2上安装有操作机的机械臂组件3，机械臂组件3与操作机的摆动组件4连接，摆动组件4与操作机的俯仰组件5连接，俯仰组件5上安装有操作机的定位视觉传感器6和机械加工用的电主轴组件7。

本发明的两级定位自由变域机械加工机共有7个自由度，数控轮式行走变域装置1具有大地坐标的行走及转弯两个自由度，可沿自由路径行走变域；五轴数控操作机的回转台组件2具有水平旋转的自由度θ_Z；五轴数控操作机的机械臂组件3具有水平移动Z及竖直移动Y两个自由度，五轴数控操作机的摆动组件4具有摆动θ_Y自由度，五轴数控操作机的俯仰组件5具有俯仰θ_X自由度，共计七个自由度，七个自由度均由各自相应的伺服电机驱动。

另外，在加工对象8上设置有若干加工部位9和相应的操作机定位标识物12，在加工对象8上还设置有轮式行走变域装置1所对应引导的行走定位标识物10和位姿校正标识物11。上述的操作机定位标识物12、定位视觉传感器6、数控装置1-3、五轴数控操作机的伺服驱动，一起构成数控操作机的数字伺服控制及定位部分，数控装置1-3与定位视觉传感器6和五轴数控操作机的伺服驱动分别连接。数控装置1-3与操作机的伺服驱动、定位视觉传感器6及定位标识物12配合进行操作机的定位，数控装置1-3控制数控操作机伺服驱动实现五轴联动加工。

图3是本发明装置中的轮式行走变域装置1的结构示意图，包括行走主体1-1，在行走主体1-1中安装有两级定位自由变域机械加工机的数控装置1-3；在行走主体1-1的左右各设置有一驱动轮组件1-2(共2个)，驱动轮组件1-2由数控装置1-3控制，带动行走主体1-1自动行走和差速转弯转向，以实现自由路径的导向及控制，从而实现自由路径变域；在行走主体1-1的前后各设置有一自由轮组件1-4(共2个)，自由轮组件1-4为无动力源、仅起支承作用的自由轮；在行走主体1-1的四边各设置有两个超声波传感器1-5，(前后左右各2个，共8个)。上述的行走定位标识物10、位姿校正标识物11、驱动轮组件1-2、数控装置1-3、超声波传感器1-5，一起构成轮式行走变域装置控制部分，数控装置1-3与驱动轮组件1-2和超声波传感器1-5分别连接。

如图4，本发明装置中的并联原理机械臂组件3的结构是，包括立柱3-1，在立柱3-1的两边分别垂直安装有移动副a3-3和移动副b3-7，移动副a3-3的滑块下端通过回转副a3-4与连杆a3-2的下端连接，移动副b3-7的滑块下端通过回转副b3-5、回转副c3-6分别与连杆b3-8的下端和连杆c3-9的下端连接，连杆a3-2的上端和连杆c3-9的上端同时通过复合回转副3-12与连接板3-11连接，连杆b3-8的上端通过回转副d3-10与连接板3-11连接。并联原理机械臂组件3的立柱3-1与图2操作机的回转台组件2连接，连接板3-11与操作机的摆动组件4连接。

参照图1、图2，本发明的两级定位自由变域机械加工机的两级定位方法是，按照以下步骤实施：

步骤1)、本发明装置中的轮式行走变域装置1采用轮式行走装置，采用伺服电机驱动和差速转弯转向，其导向和行走为数字伺服控制，可以方便地实现自由路径变域；轮式行走变域装置1中的超声波传感器1-5在行走途中进行避障探测，将得到的信息及时输入数控装置1-3进行处理，控制驱动轮组件1-2动作，避免与其他无关物体碰撞，在轮式行走变域装置1到达加工站点之前，超声波传感器1-5与预设的位姿校正标识物11配合采集位置参数，通过数控装置1-3及时进行计算并控制驱动轮组件1-2，调节轮式行走变域装置1的两个自由度变化，进行位姿校正得到一个初步定位，以修正轮式行走变域装置1在行走途中的累积位姿误差，为提高轮式行走变域装置1的定位精度奠定基础；然后，超声波传感器1-5再与预设的定位标识物10配合，进行轮式行走变域装置1的最终定位，即实现两级定位自由变域机械加工机的第一级定位。

步骤2)、本发明装置中的五轴数控操作机的机械臂组件3采用并联原理机构，用于实现立面的Z、Y两轴运动，通过回转台组件2实现回转运动θ_Z，通过摆动组件4实现摆动运动θ_Y，通过俯仰组件5实现俯仰运动θ_X，通过操作机的视觉定位传感器6采集与定位标识物12之间的空间位置与姿态数据，通过采集定位标识物12的图像数据，数控装置1-3及时进行计算并控制调节五自由度的各组件的侍服驱动动作，使得相应的组件位置状态相应变化，相互配合共同实现操作机电主轴组件7的定位，即实现本发明的两级定位自由变域机械加工机的第二级定位。

本发明的两级定位自由变域机械加工机，变域装置采用轮式行走装置，可以方便地实现自由路径变域；采用位姿校正和两级定位方式，首先在第一级定位前先进行轮式行走变域装置的位姿校正，再进行轮式行走变域装置的第一级定位，最后进行操作机的第二级定位，定位精度高；Z、Y两轴运动组件采用并联原理机械臂机构，长臂的悬臂刚度高，比刚度高。