2.1 加工几何非确定性测量方法

机床加工是由不超过五轴联动的直角坐标机构在固定位置进行的指令加工。机器人加工则是由具有较强适应性、通用性的多轴联动机构在固定或非固定位置进行的自主或指令加工。机器人从概念上更强调灵活性和适应性，但从广义上讲，机床也是一种特殊构型的机器人。机器人由于运动灵活、工作空间较大，被越来越多地应用在焊接等机械加工领域。机器人加工的轨迹规划分为两种情况：一种情况是末端运动轨迹是确定的，对于这种情况，轨迹规划方法大多是基于几何模型的离线轨迹规划方法，其典型代表是数控机床的减材制造，其规划的轨迹路径都是以起始加工位置为参考的一系列刀位点。只要毛坯足够大，即使对刀点位置存在较大误差，也可以加工出完全相同的零件。另一种情况是末端运动轨迹是不确定的，一方面，工件自身存在几何误差、装夹变形和重复装夹误差等；另一方面，机器人与工件之间的坐标关系不明确，这些影响因素会使基于模型的轨迹规划方法近乎失效。此时，机器人轨迹规划的难度在于，机器人与其加工对象之间存在很强的几何关系非确定性。为了解决这一问题，可以进行在线轨迹修正，也可以采用本章主要研究内容所阐述的方法：机器人测量加工一体化的离线高精度轨迹规划与估计。

本章以大型薄壁零件的机器人搅拌摩擦焊接加工为例，讨论在轨迹规划过程中，当机器人与其加工对象之间和加工对象本身存在几何非确定性误差时，如何进行轨迹规划来实现高精度机器人加工。大型薄壁曲面工件在冲压制造、存放运输、安装固定过程中均会产生未知误差。国外采用成本高昂的高精度矫形工装，通过工装夹持力约束工件，使其与数字化模型高度一致，采用基于数学模型的方法进行轨迹规划。矫形工装的成本接近搅拌摩擦焊接设备本身，例如，美国NASA的火箭燃料储箱矫形工装耗资折合近1亿元人民币。为了节约成本，本章采用普通工装，通过在机器人上安装测量设备，对未知工件变形和工件与机器人的实际坐标关系进行测量。

大型复杂曲面金属薄壁零件搅拌摩擦焊接的难点在于：①搅拌摩擦焊接对轨迹刀位点和焊头方向矢量的精度要求较高；②大型薄壁零件容易变形，装夹之后与原有设计曲面误差过大，这些误差足以使基于模型的轨迹规划方法失效；③金属零件表面容易形成镜面反射，视觉焊缝测量和激光焊缝测量虽然效率较高，但容易受到环境光线影响而使测量精度下降，在形成镜面反射的区域测量甚至会失败，而且当两个等高的被焊接工件因受到装夹力而紧密贴合时，视觉等光学方法很难辨识焊缝位置；④空间曲线搅拌摩擦焊接加工的轨迹规划需要精确的空间刀位点位置和刀具姿态，但一般不进行曲面测量很难得到焊缝附近的曲面信息以确定焊头姿态，如果为了得到刀位矢量而测量焊缝周围曲面，则会极大地增加焊接准备时间并提高设备研发难度。