本发明涉及工业机器人减振，尤其涉及一种工业机器人铣削加工压电主动振动控制系统及控制方法。
背景技术：
：：1、铣削是指一种依靠高速旋转铣刀去除多余材料以获得所需形状和特征的材料加工方法。近年来，航空航天武器装备大型化、复杂化、柔度高等特点对工业制造水平提出了更高的要求。相较于传统的减材制造技术（如cnc加工），工业机器人铣削具有灵活性高、工作空间大和柔性化程度高等优点。近几年，随着工业机器人性能水平的提升，其功能正在从低精度的操作任务（如搬运）向高精度的操作任务（如铣削、钻孔）转变，并且逐步应用于汽车、航空航天、船舶等高端制造业。然而，相较于传统数控机床，工业机器人加工具有定位精度低、稳定性差和刚度弱等劣势。在面对复杂的加工状况（如变换不同位姿加工工件）下，极易产生振动甚至颤振。颤振和振动严重影响工件表面质量，严重时还会导致刀具和工件损坏。因此，亟需一种能适应不同加工工况下的工业机器人主动振动控制系统，通过实时抵消刀具的振动，从振源处减小振动幅度，从而避免颤振和抑制振幅以提高工件表面加工质量。2、目前在工程上应用的减振系统大部分为被动减振装置（如公告号为cn211343849u的中国实用新型专利《减振装置及机器人》），在振动发生时耗散振动的部分能量以实现部分振动控制。上述方法虽然减小了部分振动，但仅实现了机器人被动振动控制，减振效果不佳。3、此外，现有技术大多存在如下不足：4、1）大部分机器人减振装置只对机器人振动能量进行被动阻尼耗散，减振效果不明显；5、2）压电振动控制技术已在其他领域有部分应用并得到良好效果，但极少有学者聚焦于将压电技术应用于工业机器人加工刀尖点振动主动控制。技术实现思路1、发明目的：提出工业机器人铣削加工压电主动振动控制系统及控制方法，充分考虑刀具四个方向的振动位移，并分别使用一个压电叠堆制动器给予抵消，能够实现对刀具的主动振动控制，分析控制装置在刀柄外部，极大程度减低刀具尺寸，增加了机器人加工系统的稳定性与加工质量，从而有效解决了现有技术存在的上述问题。2、第一方面，提出一种工业机器人铣削加工压电主动振动控制系统，该控制系统设置于工业机器人的末端执行器上，末端执行器上安装有铣刀，所述铣刀被弹簧夹头和锁紧螺母固定在刀柄上；弹簧夹头的下端设有多个压电叠堆制动器；每个所述压电叠堆制动器的两端分别设有电涡流位移传感器和压电套，其中，所述电涡流位移传感器设置在靠近所述铣刀的一侧，所述压电套设置在另一侧；所述电涡流位移传感器和压电套夹持所述压电叠堆制动器，以实现与刀柄的滑动摩擦；铣刀安装在刀柄的一端，所述刀柄包括刀柄端部和刀柄中间部，所述刀柄端部通过卡紧装置与电主轴连接；所述刀柄端部和刀柄中间部之间连接刀柄导杆；刀柄导杆套接有电刷；所述电刷有两端引出导线，其中一端分别连接多个所述压电叠堆制动器，另一端通过连接控制器。3、铣刀在铣削加工工件时受到振动，分布在铣刀中部以及尾部的所述电涡流位移传感器以及压电叠堆制动器开始作用：4、所述电涡流位移传感器检测到每个方向的振动幅度之后，通过导线传递给电刷，电刷将信号传递给控制器，由所述控制器驱动所述压电叠堆制动器伸缩或扩张，从而控制所述铣刀的振动。5、在第一方面进一步的实施例中，所述压电叠堆制动器和所述电涡流位移传感器设有n层，n≥2；每一层的所述压电叠堆制动器和所述电涡流位移传感器呈环形阵列分布在铣刀的周边。6、在第一方面进一步的实施例中，当n=2时，其中一层的所述压电叠堆制动器和所述电涡流位移传感器设置在铣刀的尾部；另一层的所述压电叠堆制动器和所述电涡流位移传感器在铣刀的中心位置处。7、在第一方面进一步的实施例中，所述压电叠堆制动器的材质为为压电陶瓷pzt-5经烧结而成。所述电刷是一个滑动型接触体，用石墨制成，负责在旋转部件与静止部件之间传导电流和分析控制信号。所述刀具被刀柄卡簧与卡簧帽固定在刀柄上。所述电刷轴心有一个支撑杆连接刀柄尾部与前端压电叠堆装置，并起到增强刚度的作用。所述刀柄尾部与主轴内的拉紧装置连接。8、在第一方面进一步的实施例中，所述电刷是一个滑动型接触体，用石墨制成，负责在旋转部件与静止部件之间传导电流和分析控制信号。所述刀具被刀柄卡簧与卡簧帽固定在刀柄上。所述电刷轴心有一个支撑杆连接刀柄尾部与前端压电叠堆装置，并起到增强刚度的作用。所述刀柄尾部与主轴内的拉紧装置连接。9、本发明的第二个方面，提出一种工业机器人铣削加工压电主动振动控制方法，包括如下步骤：10、s1、将预定型号的工业机器人和上述第一方面所述的工业机器人铣削加工压电主动振动控制系统组合形成铣削机器人系统；基于所述铣削机器人系统构建机器人系统状态空间表达式；11、s2、基于所述机器人系统状态空间表达式，设计模态最优控制器，利用所述模态最优控制器对所述工业机器人铣削加工压电主动振动控制系统执行实时控制；12、s3、在所述铣削机器人系统被所述模态最优控制器控制时，所述压电叠堆制动器根据信号电压的幅值、频率和相位控制自身的收缩与扩张，即可抵消所述电涡流位移传感器检测到的幅值，完成铣削减振效果。13、在第二方面进一步的实施例中，步骤s1中所述铣削机器人系统的构建过程包括：14、s1-a-1、针对预定型号的工业机器人，将所述工业机器人的m个机械臂连杆视作空间振动刚体；将工业机器人的m+1个转动关节视作空间弹性阻尼铰，建立机器人动力学模型；15、s1-a-2、根据多体系统传递矩阵法，确立铣削机器人系统中任一点物理坐标和模态坐标下的状态矢量分别为：16、<mi>z</mi><mi>=[</mi><mtable><mtr><mtd><mi>x</mi></mtd><mtd><mi>y</mi></mtd><mtd><mi>z</mi></mtd><mtd><msub><mi>θ</mi><mi>x</mi></msub></mtd><mtd><msub><mi>θ</mi><mi>y</mi></msub></mtd><mtd><msub><mi>θ</mi><mi>z</mi></msub></mtd><mtd><msub><mi>m</mi><mi>x</mi></msub></mtd><mtd><msub><mi>m</mi><mi>y</mi></msub></mtd><mtd><msub><mi>m</mi><mi>z</mi></msub></mtd><mtd><msub><mi>q</mi><mi>x</mi></msub></mtd><mtd><msub><mi>q</mi><mi>y</mi></msub></mtd><mtd><msub><mi>q</mi><mi>z</mi></msub></mtd></mtr></mtable><msup><mi>]</mi><mi>t</mi></msup>；17、<mi>z</mi><mi>=[</mi><mtable><mtr><mtd><mi>x</mi></mtd><mtd><mi>y</mi></mtd><mtd><mi>z</mi></mtd><mtd><msub><mi>θ</mi><mi>x</mi></msub></mtd><mtd><msub><mi>θ</mi><mi>y</mi></msub></mtd><mtd><msub><mi>θ</mi><mi>z</mi></msub></mtd><mtd><msub><mi>m</mi><mi>x</mi></msub></mtd><mtd><msub><mi>m</mi><mi>y</mi></msub></mtd><mtd><msub><mi>m</mi><mi>z</mi></msub></mtd><mtd><msub><mi>q</mi><mi>x</mi></msub></mtd><mtd><msub><mi>q</mi><mi>y</mi></msub></mtd><mtd><msub><mi>q</mi><mi>z</mi></msub></mtd></mtr></mtable><msup><mi>]</mi><mi>t</mi></msup>；18、式中，表示物理坐标下惯性坐标系联接点相对于其平衡位置的线位移；表示物理坐标下惯性坐标系相对于其平衡位置的角位移；表示物理坐标下联接点处的系统内力矩；表示物理坐标下联接点处的系统内力；分别为小写字母物理量对应的模态坐标。19、s1-a-3、由空间弹性铰和空间运动刚体的传递矩阵和传递方程机器人以及各关节转角对应的坐标转换矩阵推导出铣削机器人系统的总传递方程为：20、；21、其中，i是单位矩阵；t17-1表示元件1到元件17之间的传递矩阵相乘；t14-1表示元件1到元件14之间的传递矩阵相乘；；t16-1表示元件1到元件16之间的传递矩阵相乘；g17-16表示元件16到元件17的几何坐标转换方程；g16-16表示元件16到元件16的几几何坐标转换方程；g17-7表示元件17到元件7的几何坐标转换方程；g14-7表示元件14到元件7的几何坐标转换方程；g16-7表示元件16到元件7的几何坐标转换方程；z1,0、z17,0、z16,0均为对应元件之间的状态矢量。22、推导出铣削机器人系统的总传递矩阵为：23、；24、s1-a-4、由多体系统传递矩阵法和机器人动力学模型，建立铣削机器人系统的体动力学方程：25、；26、式中，m为系统质量参数矩阵，c为系统阻尼参数矩阵，k为系统刚度参数矩阵，f为系统外力列阵，v为系统物理位移坐标列阵，下标t表示该变量对时间求导数。27、在第二方面进一步的实施例中，在所述机器人动力学模型中，所有的体元件均为空间振动刚体，体元件i的质量参数矩阵，物理位移坐标列阵位，外力列阵的表达式分别为：28、；29、；30、；31、式中，mi为体元件的质量，为体元件相对于输入点的惯量矩阵；d为外力的简化中心，即矩心；，(d1, d2, d3)为矩心d的坐标，为作用于体元件上的外力矩列阵，为作用于体元件i的外力列阵，为体元件i受到的外力主矢对输入端点的力矩。32、在第二方面进一步的实施例中，基于所述铣削机器人系统构建机器人系统状态空间表达式，包括：33、s1-b-1、设仅对机器人末端刀具施加x、y方向的控制力，控制其x、y方向的振动，此时，末端刀具仅受到2个方向控制力，此时得到：34、；35、式中，为机器人第s阶增广状态矢量；为机器人第s阶模态质量；36、铣削机器人系统在第s阶模态运动的状态变量如下：37、；38、式中，表示不同模态下工业机器人的固有频率；39、铣削机器人系统在广义坐标下的动力学微分方程如下：40、；41、式中，表示不同模态下的工业机器人广义坐标下的加速度值；表示六自由度机器人在不同模态下的阻尼比；表示受控机器人系统受到个控制力/控制力矩且大小为；，其中在系统中的位置方向增广矢量为，为机器人第s阶增广状态矢量，ms为机器人第s阶模态质量；表示第s阶广义位移函数；表示第s阶广义位移函数一次微分；表示广义位移函数二次微分。42、铣削机器人系统不同模态空间下的状态方程为：43、；44、第i个元件的第l个输出的位置和方向，用元件输出位置列阵表示：45、<msub><mi>χ</mi><mi>i,l</mi></msub><mi>=[0,1,0,</mi><mi>-</mi><msub><mi>c</mi><mi>l</mi></msub><mi>,0,</mi><msub><mi>a</mi><mi>l</mi></msub><msup><mi>]</mi><mi>t</mi></msup>；46、刚体i的位移输出为其输出位置列阵与位移列阵的内积；47、s1-b-2、针对整个铣削机器人系统，采用系统输出位置列阵表示系统第l个输出的位置和方向，其中，输出点所在元件对应位置处为，其余位置均为0；48、此时铣削机器人系统的位移输出方程和速度输出方程的表达式如下：49、；50、；51、式中，表示系统输出点的位移可由系统输出位置列阵，表示第k阶增广特征矢量，表示第k阶广义位移坐标，表示第k阶频率，表示空间振动刚体i的位移列阵一次微分。52、在第二方面进一步的实施例中，基于所述机器人系统状态空间表达式，设计模态最优控制器，包括：53、测量得到任意t时刻的状态变量；记状态反馈输入信号为，线性系统被控对象状态方程和输出方程为：54、；55、当d为零矩阵时，系统的传递函数为，则此时铣削机器人系统状态矩阵a的特征根就是系统的极点；56、系统状态矩阵a变为了<mi>[a</mi><mi>-</mi><mi>bk]</mi>，系统的极点由状态矩阵a的特征根变为了状态矩阵<mi>[a</mi><mi>-</mi><mi>bk]</mi>的特征根；使用线性二次型调节器来获取反馈增益矩阵k来实现控制需求：57、；58、其中，矩阵p为对称矩阵；q矩阵和r矩阵分别为状态变量x和控制向量u的权重系数矩阵。59、在第二方面进一步的实施例中，弹簧夹头上下部分的多个压电叠堆制动器分别检测临近的振动，经由所述模态最优控制器分析之后给与所述压电叠堆制动器电压信号使其伸缩扩张，进而控制铣刀的振动。60、相对于现有技术，本发明提出了一种工业机器人铣削加工压电主动振动控制系统，阵列设置了八个压电叠堆制动器，并嵌入进刀柄当中，上下两层各四个呈360°对称分布在刀柄根部的圆柱侧面可以准确识别x、y两个个方向的振动位移和振动力，通过嵌入的控制算法准确识别输入量并做出反馈，跟随切削加工工况的变化实时调整输出，从源头控制机器人加工振动幅度，有效避免颤振的发生，最终提高工件表面加工质量并保护刀具。当前第1页12当前第1页12