(19)国家知识产权局 (12)发明 专利申请 (10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请 号 20221078582 9.1 (22)申请日 2022.07.05 (71)申请人 湖南大学 地址 410082 湖南省长 沙市岳麓区麓山 南 路1号 (72)发明人 谢核　王耀南　张辉　毛建旭　 (74)专利代理 机构 长沙市护航专利代理事务所 (特殊普通 合伙) 43220 专利代理师 莫晓齐 (51)Int.Cl. G05B 19/402(2006.01) B23C 3/12(2006.01) G06T 7/73(2017.01) (54)发明名称 一种基于机器人铣边误差追溯的工件与刀 具位姿标定方法 (57)摘要 本发明公开了一种基于机器人铣边误差追 溯的工件与刀具位姿标定方法， 包括： 1、 生成铣 边轨迹点云； 2、 获取实 际铣边三维点云； 3、 生成 更新后的铣边三维点云； 4、 计算铣边余量误差和 姿态倾斜误差； 5、 求解工件位置误差、 刀具位置 误差； 6、 求解工件姿态误差、 刀具姿态误差； 7、 更 新工件位姿参数和刀具位姿参数； 8、 重复步骤4 至7， 直至工件位姿误差矢量为和刀具位姿误差 矢量均不大于对应预设阈值； 本发 明通过对三维 点云与铣边轨迹点云进行误差比对、 误差建模和 误差追溯， 即使刀具存在自身轴线偏离等系统误 差， 也能精确的辨识铣边过程中的工件和 刀具的 位姿误差， 能很好的解决由铣边系统误差的多样 性和复杂性带来的标定精度问题。 权利要求书3页 说明书8页 附图2页 CN 115145221 A 2022.10.04 CN 115145221 A 1.一种基于机器人铣边误差追溯的工件与刀具位姿标定方法， 其特征在于， 包括如下 步骤： 步骤S10、 构建刀具对工件的铣 边路径， 生成机器人铣 边轨迹点云Q； 步骤S20、 获取工件的实际铣 边三维点云P； 步骤S30、 将铣边轨迹点云Q与实际铣边三维点云P匹配到同一坐标系中， 生成位姿更新 后的铣边三维点云P ’； 步骤S40、 依据铣边轨迹点 云Q和铣边三维点 云P’， 计算铣边余量误差 ei和姿态倾斜误差 αi； 步骤S50、 依据铣边余量误差ei， 分别建立铣削工件第i点时， 工件的位置误差对铣边余 量误差的影响模型， 以及刀具 的位置误差对铣边余量误差的影响模型， 并求解工件位置误 差Wd、 刀具位置误差Udz； 步骤S60、 依据姿态倾斜误差αi， 分别建立铣削工件第i点时， 工件的姿态误差对铣边误 差的影响模型， 以及刀具的姿态误差对铣边误差的影响模型， 并求解工件姿态误差Uδx、 刀具 姿态误差Wδ； 步骤S70、 依据工件位置误差Wd、 刀具位置误差Udz、 工件姿态误差Uδx、 刀具姿态误差Wδ， 更新工件位姿参数和刀具位姿参数； 步骤S80、 重复步骤S40至步骤S70， 直至工件位姿误差矢量为WV和刀具位姿误差矢量UV 小于等于对应的预设阈值。 2.根据权利要求1所述的工件与刀具位姿标定方法， 其特征在于， 所述步骤S10具体为： 对工件的设计模型的边界截面进行均匀离散， 生成均匀有序的铣边轨迹 点云Q＝{q1,q2,…, qi,…,qn}， 铣边轨迹点云Q中的任一点qi为3×1的向量， qi的单位法矢wi垂直于边界横截面， 正方向朝截面外侧， 与铣边深度方向相同； 点qi的第一个单位切矢τi1平行于截面边界方向， 与铣边轨迹运动方向相同； 点qi的第二个单位切矢τi2平行于曲面厚度方向， 三个矢量( τi1, τi2,wi)一起构成点qi的坐标系， 分别对应x轴 、 y轴和z轴方向。 3.根据权利要求1所述的工件与刀具位姿标定方法， 其特征在于， 所述步骤S20具体包 含如下步骤： 步骤S21、 定义初始工件位姿参数和初始刀具位姿参数分别为 和 其中 表示工 件坐标系{W}相对基坐标系{B} 的位姿， 表示刀具坐标系{U}相对基坐标系{B}的位姿， 工 件位姿参数 和刀具位姿参数 均为4×4的齐次变换矩阵； 步骤S22、 通过工件位姿参数 和刀具位姿参数 对机器人的铣 边位姿进行定位； 步骤S23、 按照构建的铣边路径对工件毛坯进行铣边， 完成后通过三维扫描设备对工件 的铣削加工面进行三维扫描， 获取工件的实际铣边三维点云P， P ＝{p1,p2,…,pa,…,pm}， 实 际铣边三维点云P上的每 个点均为3 ×1的向量。 4.根据权利要求3所述的工件与刀具位姿标定方法， 其特征在于， 所述步骤S30具体包 含如下步骤： 步骤S31、 对铣边轨迹点云Q中的任一点qi， i＝1,2, …,n， 在实际铣边三维点云P中搜索 距离点qi的最近点， 记为pa；权　利　要　求　书 1/3 页 2 CN 115145221 A 2步骤S32、 利用点对(qi,pa)构建基于余量均匀的匹配目标函数f(R,t)， R、 t分别表示实 际铣边三 维点云P的3 ×3的旋转姿态矩阵和铣边轨迹点云Q的3 ×1的平移位置矩阵； 然后通 过最小化目标函数f来 求解位姿参数R和t； 步骤S33、 更新实际铣边三维点云P上任一点pa的位置为p ′a＝Rpa+t， 然后令pa＝p′a， 得 到位姿更新后的铣 边三维点云P'， P'＝{p1',p2',…,pa',…,pm'}。 5.根据权利要求3所述的工件与刀具位姿标定方法， 其特征在于， 所述步骤S32中的最 小化的目标函数f为 其中di＝||Rpa+t‑qi||， di表示点 p′a到点qi的距离， n表示 铣边轨迹点云Q中的点数。 6.根据权利要求3所述的工件与刀具位姿标定方法， 其特征在于， 所述步骤S40具体包 含如下步骤： 步骤S41、 根据铣边轨迹点云Q， 在铣边三维点云P ’中提取离点qi距离最近的点pa'， 则点 qi的铣边余量误差为ei＝(qi‑pa')Twi； 步骤S42、 根据铣边轨迹点云Q， 在截面设计模型中， 从点qi出发， 沿第二个单位切矢τi2 正方向寻找点qi的上边界点qui和下边界点qli， 进一步在铣边三维点云P ’中分别提 取距离点 (qui、 qli)最近的点(pua'、 pla')， 构造边界倾斜方向的误差 向量τ′i2＝(2pua'‑pa'‑pla')/|| 2pua'‑pa'‑pla'||； 则铣边的姿态倾 斜误差为 7.根据权利要求6所述的工件与刀具位姿标定方法， 其特征在于， 所述步骤S50具体包 含如下步骤： 步骤S51、 定义工件的初始工件位姿参数 的位置误差向量为Wd， 定义初始刀具位姿参 数 的位置误差向量为Ud，Wd和Ud均为3×1的待求向量； 其中Ud可以进一步表示为Ud＝[0, 0,Udz]T，Udz为Ud在z轴上的分量； 步骤S52、 分别建立铣削工件第i点时， 工件的位置误差对铣边余量误差的影响模型， 以 及刀具的位置误差对铣边余量误差的影响模型， 其中， 铣削工件第i点时工件的位置误差对 铣边余量误差的影响模型为eiw＝WdTwi， 铣削工件第i点 时刀具的位置误差对铣边余量误差 的影响模型为eiu＝Udz， 将所建立 的两个影响模型进行组合， 得到铣削工件第i点时的组合 误差的影响模型， 为： ei＝WdTwi+Udz； wi表示qi的单位法矢； 步骤S53、 利用铣削工件第i点时的组合误差的影响模型建立工件刀具不同时刻所有接 触点的位置误差辨识的矩阵公式e＝WdTN+UD， 其中N＝[n1,n2,…,ni,…nn]为3×n的矩阵， e ＝[e1,e2,…,ei,…en]和UD＝[Udz,Udz,…,Udz]1×n为1×n的矩阵； 则刀具位置误差为 工件位置误差为Wd＝(NNT)‑1N(e‑UD)T。 8.根据权利要求6所述的工件与刀具位姿标定方法， 其特征在于， 所述步骤S60包括如 下步骤： 步骤S61、 定义工件毛 坯的初始工件位姿参数 的姿态误差向量为Wδ， 定义初始刀具位 姿参数 的姿态误差向量为Uδ，Wδ和Uδ均为3×1的待求向量； 其中Uδ可以进一步表示为Uδ＝ [Uδx,0,0]T，Uδx为Uδ在x轴上的分量； 步骤S62、 分别建立铣削工件第i点时， 工件的姿态误差对铣边误差的影响模型， 以及刀权　利　要　求　书 2/3 页 3 CN 115145221 A 3