57、机械加工中的力控制与三维测量方法解析

最新推荐文章于 2025-10-09 13:51:22 发布

mm9012

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分类专栏：智造未来：MATADOR前沿文章标签：切削力控制三维测量传感器融合

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机械加工中的力控制与三维测量方法解析

1. 切削力控制

1.1 传统控制问题

在一些切削加工过程中，如果不考虑进给速率，控制器始终处于激活状态且初始使用零进给速率，会产生不必要的过冲现象。这是因为切削力初始为零，控制器为达到期望切削力会增加进给速率，由于此时无切削力，进给速率会持续增加直至达到最大值。当刀具接触工件时，高进给速率就会导致切削力过冲。

1.2 改进策略

进给速率保存与复用 ：当切削力收敛到期望值后，记录此时的进给速率振荡低值。在后续循环中，刀具返回时，若在每个循环结束时停用控制器，进给速率在下次接触工件前将保持不变。由于每个循环的加工条件相似，使用上一循环的进给速率可改善加工过程，减少进给速率的大幅变化，还能延长刀具寿命。
实验验证
- 实验设置 ：在 Tong Tai TB - 20YBC 机器上进行实验，工件材料为 Aluminum 6061，主轴转速 S = 2000 (rpm)，初始进给速率 vf0 = 300 (mm/min)，采用圆柱工件直径减小的切削测试，每次循环的切削长度相同，Kp = 20。
- 实验一 ：切削长度 L = 20 (mm)，切削深度 d = 1(mm)。从力响应图可明显看到每个循环开始时的过冲问题，由于切削长度不足且过冲限制了力控制时间，在切削过程中无法达到期望力。同时，从进给速率响应图可观察到，刀具未接触工件时，进给速率会饱和到最大值。
- 实验二 ：切削长度 L = 40 (mm)，切削深度 d = 1 (mm)。未使用控制器时，平均最大力为 170 N，计算得出期望力为 200 N。采用改进方法后，能在短时间内达到期望切削力，避免了每个循环的初始过冲，进给速率调整平稳，循环间进给速率变化不大。对比恒定进给速率和改进方法的力响应，改进方法可使加工时间缩短约 20%。

1.3 实验结果对比

实验	切削长度 (mm)	切削深度 (mm)	期望力 (N)	初始过冲情况	是否达到期望力	加工时间 (s)
实验一	20	1	Fd	有	否	-
实验二（无控制器）	40	1	200	有	-	-
实验二（改进方法）	40	1	200	无	是	41.3

1.4 切削力控制流程图

graph TD;
    A[开始] --> B[初始零进给速率, 控制器激活];
    B --> C{是否接触工件};
    C -- 否 --> D[进给速率增加至最大];
    C -- 是 --> E[产生切削力过冲];
    E --> F[改进方法: 保存收敛后进给速率];
    F --> G[下次循环前停用控制器];
    G --> H{是否接触工件};
    H -- 是 --> I[使用保存的进给速率加工];
    I --> J[达到期望切削力];
    J --> K[结束];
    D --> C;

2. 原位混合三维测量方法

2.1 背景与问题提出

在大型复合材料机器人加工中，尤其是在自由曲面复合材料外壳上精确加工装配孔或几何特征时，存在定位精度问题。现代机器人在结构刚性和定位精度控制方面存在不足，以往虽有一些研究成果，但在通过传感器融合提高定位精度以提取关键几何加工特征方面仍需深入研究。

2.2 混合测量方法原理

传感器融合 ：将高精度触发式探针和光学三维表面轮廓仪集成作为传感器融合配置。
空间校准与补偿 ：通过测量安装在加工部件上的模具夹具，将预校准坐标测量机 (CMM) 的精度溯源传递到机器人加工空间，对机器人加工空间的精度进行预校准和补偿。补偿公式如下：
- 空间坐标补偿：
  - (X_c = 2 * X_{cmm} - X_r)
  - (Y_c = 2 * Y_{cmm} - Y_r)
  - (Z_c = 2 * Z_{cmm} - Z_r)
- 方向向量补偿：
  - (n_{x2} = 2 * n_x - n_{x1})
  - (n_{y2} = 2 * n_y - n_{y1})
  - (n_{z2} = 2 * n_z - n_{z1})
    其中，((X_c, Y_c, Z_c, n_{x2}, n_{y2}, n_{z2})) 为补偿后的机器人坐标及方向向量，((X_{cmm}, Y_{cmm}, Z_{cmm}, n_x, n_y, n_z)) 为 CMM 测量的模具夹具坐标及方向向量，((X_r, Y_r, Z_r, n_{x1}, n_{y1}, n_{z1})) 为机器人测量的工件钻孔坐标及方向向量。
数据合成 ：将触发式测量（用于孔或光学无法测量的特征）和光学传感（用于自由曲面）的数据进行合成，通过将几何特征与预定义的独特或不变加工几何（如特定几何中心或位置）关联起来，准确提取重要定位目标，这对在大工作体积内实现精确测量至关重要。

2.3 系统校准

校准类型 ：包括机器人运动学验证的机器人校准、获取工件坐标（从工件坐标到机器人坐标的变换矩阵）的加工部件校准以及确定从三维光学传感坐标到机器人末端执行器变换矩阵的机器人传感器校准。
ICP 算法应用 ：为实现机器人传感器校准，开发了基于迭代最近点 (ICP) 的算法。利用模具夹具提供的已知预校准几何形状，通过触发式探针测量，以识别机器人空间误差，特别是与加工特征相关的定位误差，并应用 ICP 方法准确确定机器人末端执行器到三维光学探头的变换矩阵。

2.4 关键维度检测

法向量的重要性 ：在大型自由曲面复合材料机器人加工中，加工几何特征的法向量与测量和加工精度密切相关，准确的法向量能使关键几何与零件模型精确匹配。
法向量计算
- 平均法向量定义：(\vec{n} {average} = \frac{\sum {i = 1}^{p} a_i \vec{n} i}{\sum {i = 1}^{p} a_i} \left|\frac{\sum_{i = 1}^{p} a_i \vec{n} i}{\sum {i = 1}^{p} a_i}\right|)
- 投影图像面积计算：(A = \sum_{i = 1}^{p} a_i |\vec{n}_i \cdot \vec{v}|)
- 最大面积方向确定：当 (A) 达到最大值时，(\frac{dA}{d\vec{v}} = 0)，可得 (\vec{v} = \frac{\sum_{i = 1}^{p} a_i \vec{n} i}{\sum {i = 1}^{p} a_i} \left|\frac{\sum_{i = 1}^{p} a_i \vec{n} i}{\sum {i = 1}^{p} a_i}\right|)，即最大面积方向与平均法向量方向相同。
检测流程
- 三维光学探头捕获深度图像中的点云。
- 应用 RANSAC 方法检测参考平面，提取均匀区域用于平面拟合，进行加工部件尺寸检测。
- 使用开发的三维边缘检测方法提取加工工件中几何特征的边缘，获取关键几何特征（如精确深度、表面法向量或表面曲率）。
- 利用检测到的光学彩色图像识别关键轮廓边缘，进行二维和三维几何信息的数据合成。
- 通过最小二乘法逼近方法，使测量数据与零件模型最佳拟合，准确提取和确定几何特征的关键维度和法向量。

2.5 测量精度提升

初步实验测试表明，使用该混合三维测量方法，在加工体积达 2 × 2 × 2 m³ 时，工业机器人加工复合材料外壳的最大定位误差可从几百微米降低到小于 100 µm，加工精度可提高 3 - 5 倍。

2.6 三维测量方法流程图

graph TD;
    A[开始] --> B[三维光学探头捕获点云];
    B --> C[RANSAC 方法检测参考平面];
    C --> D[三维边缘检测提取几何特征边缘];
    D --> E[光学彩色图像识别轮廓边缘];
    E --> F[数据合成];
    F --> G[最小二乘法拟合测量数据与模型];
    G --> H[提取关键维度和法向量];
    H --> I[结束];

3. 两种技术的综合分析与应用前景

3.1 技术对比

技术类型	核心目标	关键技术手段	应用场景	优势	局限性
切削力控制	控制切削力，避免过冲，提高加工效率和刀具寿命	模糊逻辑控制器，保存和复用进给速率	粗车加工	减少过冲，缩短加工时间，延长刀具寿命	依赖实验参数调整，对复杂加工情况适应性有限
原位混合三维测量方法	提高大型复合材料机器人加工的定位精度	传感器融合，坐标校准与补偿，数据合成	大型复合材料加工，如航空航天领域	大幅提高定位精度，适用于大工作体积	系统校准复杂，设备成本较高

3.2 综合应用场景

航空航天制造 ：在航空航天领域，对零件的加工精度要求极高。切削力控制技术可应用于零件的粗加工阶段，确保在高效去除材料的同时，保证刀具的使用寿命和加工质量。而原位混合三维测量方法则可用于零件的精确测量和精加工阶段，确保零件的几何特征和装配孔的加工精度符合严格的标准。
汽车制造 ：在汽车制造中，对于一些复杂形状的零件，切削力控制可以优化加工过程，提高生产效率。同时，三维测量方法可以用于检测零件的尺寸精度，确保零件的质量和装配性能。

3.3 未来发展趋势

智能化集成 ：未来，切削力控制和三维测量技术有望实现更深度的智能化集成。通过引入人工智能算法，系统可以自动调整切削参数和测量策略，以适应不同的加工任务和材料特性。
多传感器融合 ：除了现有的触发式探针和光学传感器，未来可能会引入更多类型的传感器，实现更全面的信息采集和融合，进一步提高加工和测量的精度。
远程监控与维护 ：借助物联网技术，加工和测量设备可以实现远程监控和维护。操作人员可以实时获取设备的运行状态和加工数据，及时进行调整和维护，提高生产效率和设备的可靠性。

3.4 综合技术应用流程图

graph TD;
    A[开始] --> B[粗加工: 切削力控制];
    B --> C[三维测量: 检测精度];
    C --> D{精度是否达标};
    D -- 是 --> E[精加工: 切削力控制];
    D -- 否 --> F[调整加工参数];
    F --> B;
    E --> G[再次三维测量];
    G --> H{最终精度是否达标};
    H -- 是 --> I[结束加工];
    H -- 否 --> J[返工处理];
    J --> B;