CN108375956B - 双头铺放后处理方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了双头铺放后处理方法，先对轨迹数据进行预处理，建立主轴坐标系，使得各轴指向与机器人基坐标系保持一致，坐标原点在模具回转轴线上，将包络模型转化到主轴坐标系下表示，对轨迹信息中的所有数据点沿法向外延即可获得铺丝腕点位置信息,从轨迹数据中提取法向信息单位向量，对每一条轨迹中的腕点数据沿轴向z方向提取特征点，定义提取方法，将轨迹所有的特征点都提取出来；对于不同两条轨迹中的两个特征点沿法向延伸处理得到控制点并通过插点为轨迹点协调。本发明将两个机器人之间的协调动作解耦，从而降低后置处理难度。
Description
技术领域
本发明属于复合材料自动铺放领域，涉及一种双机器人同步铺丝的后置处理算法。
背景技术
双工位铺放系统主要由双机器人、旋转主轴、双扩展平移导轨和双末端执行器组成，其中旋转主轴水平架设，以辅助完成回转体模具的铺放；平移底座的平移方向平行于主轴方向，用于解决大型构件铺放作业时机器人行程不足的问题；双末端执行器集成8丝束铺丝头，从而完成两侧同时铺放并提升铺放效率。根据铺放任务的特定需求，铺放设备通常采用柔性压辊和气缸作为压辊压实力的执行末端。压辊压实力的大小除了受气缸内气压大小影响外，还与气缸的施压方向有关。因此，为了防止因模具曲面变化而产生的施压方向的变化引起铺放压力的变化，铺丝执行机构必须始终沿铺放点所处曲面的法向量进行施压。由于这一特殊的末端姿态约束条件，在工作时必须保证实时铺放轨迹点法向姿态延伸面同时位于两侧机器人腕点的可达包络空间内。
伴随着飞机设计和加工工艺的不断改进，对复材结构件的生产也提出了一些新的要求。特别是一些大量使用碳纤维结构件的宽体飞机面世，使得一些主流的飞机制造单位和设备供货商需要不断的更新机床和加工工艺。而复合材料铺放过程中面临着设备铺放效率较低和预浸料使用周期限制的矛盾，为使制造复材构件复杂度与高铺放生产率两者得到兼顾，双工位铺放设备便成了现代复材产品的制造研究热点。针对本文类转体构件的双机器人协调铺放系统，如何协调两个机器人之间的铺丝运动将会是一个难点。发明根据回转体模具的结构特征进行铺放轨迹的合理分配、并通过两个机器人纵向进给速率的配合以及操作空间的限制约束完成双头的同步铺放。
发明内容
本发明的目的在于提供双头铺放后处理方法，本发明将两个机器人之间的协调动作解耦，从而降低后置处理难度。
本发明所采用的技术方案是按照以下步骤进行：
(1)先对轨迹数据进行预处理，建立主轴坐标系B，使得各轴指向与机器人基坐标系保持一致，坐标原点在模具回转轴线上，将包络模型转化到主轴坐标系下表示，设模具信息变换矩阵为
对于空间某点(x，y，z)I，该点在主轴坐标系下的坐标为：
(2)对轨迹信息中的所有数据点沿法向外延900mm即可获得铺丝腕点位置信息,从轨迹数据中提取法向信息单位向量Normal(xn，yn，zn)，对于模具上某点(xm，ym，zm)，获得外延后的腕点信息(xw，yw，zw),将其写成分量形式为：
(3)对每一条轨迹中的腕点数据沿轴向z方向提取特征点，定义提取方法，对于轨迹1，从边界点a1开始逐点判断下一个点沿z与a1的差值是否大于某一个设定的值，记为列宽ξ，如果大于ξ，将此点记为a2，如此类推，将所有的特征点都提取出来；
(4)对于不同两条轨迹中的两个特征点T1i、T2i沿法向延伸处理得到控制点ki、mi，将其绕主轴旋转分别与两侧包络曲线上下限相交得到ki'、mi'、ki”、mi”；
(5)时间同步；在复杂曲面模具上进行铺放加工时，在对轨迹进行适应分配处理前，因首先就曲面曲率变化较大处的轨迹点进行密化，使得经过后置处理的到各轴运动更为平稳，而轨迹点信息中法向量可以作为曲面曲率变化的参照，设定允许的曲率变化值即法向量变化量为ε，通过插点为两条配对轨迹点协调。
进一步，步骤(4)中，对两条配对的轨迹按点号逐点验证，直到所有点搜索完毕，以此作为轨迹配对的筛选准则，根据纵向进给速率的相互匹配对三维CAD轨迹数据离散分层切片，通过协调两条轨迹离散点间距进行双轨迹适应配合的规划。
进一步，步骤(5)中，确定插点位置的步骤如下：
(1)先将需要与处理的轨迹点信息导入；
(2)求出相邻两个轨迹点单位法矢之间夹角α，用来表征两点处的曲面法向曲率变化；
(3)如果α>ε,则在这两点之间标记一个待插点；
(4)如果还有轨迹点，则再取下面两个，继续第二步；否则，结束插点。
附图说明
图1是类转体验证模具结构模具外形示意图；
图2是类转体验证模具结构模具轴向示意图；
图3是双铺放设备布局示意图；
图4是夹角区间判定示意图；
图5是轨迹适应配合算法流程示意图。
具体实施方式
下面结合具体实施方式对本发明进行详细说明。
如图1所示是类转体验证模具结构模具外形，图2是类转体验证模具结构模具轴，图3是双铺放设备布局。本发明处理方法步骤如下：
(1)原始轨迹信息的参考坐标系为catia数模的坐标系，该坐标系与机器人基坐标系各轴指向可能不同。因此，在验证运算之前需要先对轨迹数据进行预处理，建立新的模具坐标系B(主轴坐标系)使得各轴指向与机器人基坐标系保持一致，坐标原点在模具回转轴线上。将包络模型转化到主轴坐标系下表示，简化位置关系的计算。设模具信息变换矩阵为
对于空间某点(x，y，z)I，该点在主轴坐标系下的坐标为：
(2)对轨迹信息中的所有数据点沿法向外延900mm即可获得铺丝腕点位置信息。从轨迹数据中提取法向信息单位向量Normal(xn，yn，zn)，对于模具上某点(xm，ym，zm)，获得外延后的腕点信息(xw，yw，zw),将其写成分量形式为：
(3)对每一条轨迹中的腕点数据沿轴向即z方向提取特征点。定义提取方法，一是为轨迹调度合法性提供判断依据，二是为初始解的生成服务。出于简化计算考虑，对于轨迹1，从边界点a1开始逐点判断下一个点沿z与a1的差值是否大于某一个设定的值，记为列宽ξ。如果大于ξ，将此点记为a2，如此类推，将所有的特征点都提取出来。
(4)对于不同两条轨迹中的两个特征点T1i、T2i沿法向延伸处理得到控制点ki、mi，将其绕主轴旋转分别与两侧包络曲线上下限相交得到ki'、mi'、ki”、mi”。如图4所示，O点为模具主轴中心点。
由于主轴作为冗余轴的存在，从理论上来说，如果两条轨迹中的对应的控制点过O点夹角能够在(α，β)区间内，便可通过对主轴的处理使得两个特征点都能处于机器人可达空间内。对两条配对的轨迹按点号逐点验证，直到所有点搜索完毕，以此作为轨迹配对的筛选准则。借鉴分层制造、累计成型的原理。根据纵向进给速率的相互匹配对三维CAD轨迹数据离散分层切片，通过协调两条轨迹离散点间距进行双轨迹适应配合的规划。
(5)时间同步；步骤(1)-(4)进行类转体模具铺放轨迹的预分配，将完整模具的铺放轨迹分配给两个铺放机器人，分配完成后再针对同时铺放的两条轨迹进行轨迹点适应配合即密化或删点操作，以期达到时间同步效果。
在复杂曲面模具上进行铺放加工时，理论上生成的轨迹应该是铺放压辊与模具表面点接触构成的一种空间曲线。但是在实际加工时，由于CNC数控系统插补能力的限制，铺放轨迹是由一段段的直线连接组成的。显然，加工轨迹的步长选择与铺放作业的加工质量和加工效率具有密切关联。提高步长可以获得较高的铺放速度，但是步长过大会导致末端运动轨迹产生明显弯折，尤其是在曲率变化较大的复杂型面出表现的更为突出，使铺放表面质量下降。为了达到较好的精度，需要进行繁琐的后续轨迹处理工作，降低整体效率。但是，步长选择过小会使铺放算法的程序结构繁杂，消耗内存，计算得到的加工数据也较多，影响铺放效率。
在本发明中，双机器人的轴向配合主要是通过机器人底座纵向进给速率的相互协调来完成，然后在此基础上完成协调系统各轴的后置处理。在对轨迹进行适应分配处理前，因首先就曲面曲率变化较大处的轨迹点进行密化，使得经过后置处理的到各轴运动更为平稳。而轨迹点信息中法向量可以作为曲面曲率变化的参照，设定允许的曲率变化值即法向量变化量为ε，通过插点为两条配对轨迹点协调。确定插点位置的步骤如下：
(1)先将需要与处理的轨迹点信息导入。
(2)求出相邻两个轨迹点单位法矢之间夹角α，用来表征两点处的曲面法向曲率变化。
(3)如果α>ε,则在这两点之间标记一个待插点。
(4)如果还有轨迹点，则再取下面两个，继续第二步；否则，结束插点。
本发明以步长选择控制两机器人纵向进给配合，将模型轨迹在轴向进行适应性切片，保证在每两层切片之间两条轨迹只有一个轨迹点。这样，在经过轨迹预处理基础上进行后置处理时，就可以将双机人三维空间协调约束能力转化为二维平面问题。算法要确定的是轨迹点构成的轨迹按照z轴方向的步长选择，由上分析步长选择与模型表面各点的曲率有关。而曲面的曲率特征可以用各点的法向量来表征。设ni＝(xi，yi，zi)为轨迹点的法向量，在CAD轨迹文件中由于法向量值
为单位向量，所以|zi|代表了ni在z轴投影值的大小，zi的正负表明了轨迹法向量ni在z轴投影的指向。
如图5所示，轨迹适应配合算法是，搜索出每个步长单元中两条配对轨迹的法向量变化较大的轨迹点Traj[i].point[m]及其法向量ni。在确定步长时以轨迹点Traj[i].point[m]及其法向量ni作为适应性分配的参量，这里Traj[m]指第m条轨迹。其中Traj[i].point[m]为程序语言，指代第i条轨迹中的第m个轨迹点，算法基本步骤如下：
(1)取初始步长设定pw＝0，pmax为步长最大值，pmin为步长的最小值，m＝0，pmax与pmin由两条原始轨迹中的最大步长与最小步长求得，Ha，Hb为某一步长区间的z值的上限和下限。
(2)搜索point[m]到point[m+1]区间内两条轨迹的法向量变化值，选取法向量变化较大的轨迹作为参考计算在point[m]到point[m+1]区间内适应性步长pw。
(3)将原始轨迹Traj[i]中的point[m+1]赋予T1，计算pw所在步长区间(Ha,Hb)，并检查配合轨迹Traj[j]在此区间内是否含有轨迹点。如果有则将Traj[j].point[m+1]点数据赋予T2，否则在Hb处对轨迹Traj[j]进行插点运算。
(4)判断轨迹点是否遍历完成，如果没有完成所有轨迹点的处理运算，则转(2)。如果完成所有轨迹点的适应处理，转(5)。
(5)输出适应配合处理完成的两条轨迹T1、T2；
本发明从铺放机器人协调空间约束出发，以较复杂的类转体构件的铺放成型为研究对象，研究双机器人并联系统协调完成此类作业的运动规划问题，详细分析了在时间同步和空间可达两个约束条件下机器人协调运作的轨迹分配方法。在CAD离线规划生成加工轨迹加工文件后，以双机器人系统的有效工作行程为动态约束进行轨迹再分配，将两个机器人之间的协调动作解耦，从而降低后置处理难度。
以上所述仅是对本发明的较佳实施方式而已，并非对本发明作任何形式上的限制，凡是依据本发明的技术实质对以上实施方式所做的任何简单修改，等同变化与修饰，均属于本发明技术方案的范围内。
Claims (2)
1.双头铺放后处理方法，其特征在于：
(1)先对轨迹数据进行预处理，建立主轴坐标系B，使得各轴指向与机器人基坐标系保持一致，坐标原点在模具回转轴线上，将包络模型转化到主轴坐标系下表示，设模具信息变换矩阵为
对于空间某点(x，y，z)I，该点在主轴坐标系下的坐标为：
(2)对轨迹信息中的所有数据点沿法向外延900mm即可获得铺丝腕点位置信息,从轨迹数据中提取法向信息单位向量Normal(xn，yn，zn)，对于模具上某点(xm，ym，zm)，获得外延后的腕点信息(xw，yw，zw),将其写成分量形式为：
(3)对每一条轨迹中的腕点数据沿轴向z方向提取特征点，定义提取方法，对于轨迹1，从边界点a1开始逐点判断下一个点沿z与a1的差值是否大于某一个设定的值，记为列宽ξ，如果大于ξ，将此点记为a2，如此类推，将所有的特征点都提取出来；
(4)对于不同两条轨迹中的两个特征点T1i、T2i沿法向延伸处理得到控制点ki、mi，将其绕主轴旋转分别与两侧包络曲线上下限相交得到ki'、mi'、ki”、mi”；
(5)时间同步, 在步骤(1)-(4)进行类转体模具铺放轨迹的预分配时，将完整模具的铺放轨迹分配给两个铺放机器人，分配完成后再针对同时铺放的两条轨迹进行轨迹点适应配合，以期达到时间同步效果，在复杂曲面模具上进行铺放加工时，在对轨迹进行适应分配处理前，应首先就曲面曲率变化较大处的轨迹点进行密化，使得经过后置处理的各轴运动更为平稳，而轨迹点信息中法向量可以作为曲面曲率变化的参照，设定允许的曲率变化值即法向量变化量为ε，通过插点为两条配对轨迹点协调；确定插点位置的步骤如下：
a、先将需要预处理的轨迹点信息导入；
b、求出相邻两个轨迹点单位法矢之间夹角α，用来表征两点处的曲面法向曲率变化；
c、如果α＞ε,则在这两点之间标记一个待插点；
d、如果还有轨迹点，则再取下面两个，继续步骤b；否则，结束插点。
2.按照权利要求1所述双头铺放后处理方法，其特征在于：所述步骤(4)中，对两条配对的轨迹按点号逐点验证，直到所有点搜索完毕，以此作为轨迹配对的筛选准则，根据纵向进给速率的相互匹配对三维CAD轨迹数据离散分层切片，通过协调两条轨迹离散点间距进行双轨迹适应配合的规划。
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