CN103128645A - 压力可控、速度可变的主动柔顺机器人研磨系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种压力可控、速度可变的主动柔顺机器人研磨系统，包括：工业机器人、可控压力柔顺研磨工具、检测模块和计算控制模块。所述工业机器人对可控压力柔顺研磨工具三维空间移动和定位；可控压力柔顺研磨工具对光学镜面进行压力可控、速度可变的柔顺研磨；通过检测模块测量光学镜面的实际面形；计算控制模块根据测得的实际面形与目标面形比较得到的误差曲面规划研磨轨迹、压力、转速和驻留时间，控制工业机器人和可控压力柔顺研磨工具协作进行高收敛速度的复杂光学镜面研磨。

Description

压力可控、速度可变的主动柔顺机器人研磨系统及方法

技术领域

本发明涉及研磨抛光领域，具体涉及一种压力可控、速度可变的主动柔顺机器人研磨系统及方法，可实现复杂面形光学镜面等脆性材料的精密研磨。

背景技术

近年来随着精密光学和空天技术的发展，复杂面形光学镜面得到了越来越广泛的应用，对面形的复杂程度、精度要求和光学镜面的口径要求越来越高，因此迫切需要一种加工周期短、精度高、可适应性强、成本相对较低的复杂面形光学镜面加工系统。

目前的复杂面形光学镜面研磨加工主要通过研抛机床加工，其价格昂贵，因此人们致力于研究采用成熟的商用工业机器人研磨复杂面形光学镜面的方法，这种方法使用灵活，占地面积相对较小，成本大大降低。如一种已知的铣磨抛光装置，该装置由成熟的商用工业机器人、机器控制模块、驱动模块、人际交互界面、工作组件、抛光冷却液循环控制系统（包括储存装置、搅拌装置、温度控制装置、输送泵和回流泵），以及吸盘夹具组成。其中控制模块和驱动模块控制并驱动商用工业机器人的空间移动及空间定位，从而控制工作组件的工作状态，控制模块和驱动模块也控制人机交互界面，同时控制抛光液冷却液循环控制系统的储存装置、搅拌装置、温度控制装置、输送泵和回流泵；洗盘夹具用于夹持加工工件。

然而，在现有的机器人铣磨抛光装置中，机器人法兰盘上安装的工作组件与加工工件之间的工作压力是由机器人实现的，并通过力传感器监控和调整，因此会出现工作压力调整反应慢，加工过程中压力实际值和理论值偏差大且易发生撞击导致工件表面受损的现象；同时，这种装置加工时理论上工作压力恒定，不能根据实际面形局部加工要求的不同对加工压力作相应的调整，使得整个加工过程收敛速度较慢。

发明内容

有鉴于现有技术的上述缺陷，本发明的目的在于提供一种成本低、精度高、收敛速度快的复杂面形光学镜面研磨加工系统及方法。

为实现上述目的，本发明提供了一种压力可控、速度可变的主动柔顺机器人研磨系统，包括：工业机器人、可控压力柔顺研磨工具、检测模块和计算控制模块，所述机器人操纵所述可控压力柔顺研磨工具空间移动和定位以对工件进行加工，其特征在于，所述检测模块实时监测所述工件的实际面形并将其输出至所述计算控制模块；所述计算控制模块根据所述检测模块测得的实际面形和目标面形计算得到误差曲面，进而规划研磨的轨迹、压力、转速和和驻留时间控制所述工业机器人和可控压力柔顺研磨工具协作加工工件。

优选地，所述可控压力柔顺研磨工具固定在所述工业机器人的输出法兰上，工件用夹具固定在工作台上。

优选地，所述可控压力柔顺研磨工具包括音圈电机、杠杆力放大机构和转速可控的主轴系统，所述音圈电机内置于所述可控压力柔顺研磨工具，所述音圈电机的输出端通过所述杠杆力放大机构连接所述转速可控的主轴系统提供可控的研磨轴向力。

进一步地，所述音圈电机为一个或多个。

优选地，所述可控压力柔顺研磨工具上安装应变测量片，实时反馈研磨加工力信息给计算控制模块。

优选地，所述可控压力柔顺研磨工具中，音圈电机30固定在可控压力柔顺研磨工具外壳6内，音圈电机输出7与通过固定在外壳6上的无油轴承8导向的音圈电机滑块9一端相连，音圈电机滑块9的另一端固定有直线导轨10，直线导轨滑块11沿直线导轨10滑动，与直线导轨滑块11固定连接的侧座12和连杆轴13紧配合，连杆轴13与连杆15分别与滚动轴承14内外圈配合，连杆15中间支点和固定在外壳6上的固定连杆轴17同样分别与滚动轴承34内外圈配合，连杆15上设有应变测量片16，测量连杆应变，标定后的连杆应变表征研磨压力，用于作为输出研磨压力的反馈，连杆15另一端经滚动轴承32和连杆轴33连接侧座20，连杆15的运动由挡块18、挡块19限位，防止造成损坏，侧座20固定在直线导轨滑块21上，直线导轨滑块21由固定电机滑块导轨连接块23上的直线导轨22导向，电机滑块导轨连接块23与电机滑块25相连，固定在外壳6上的无油轴承24起电机滑块25导向作用，研磨主轴电机26固定在电机滑块25内带动输出轴27，输出轴承28内圈轴向限位在输出轴27上，输出轴承28外圈由固定法兰29轴向固定在外壳6内，输出轴27末端连接研磨盘31。

进一步地，所述主轴电机26转速可调。

优选地，所述检测模块通过三坐标测量仪对工件进行面形检测得到工件的面形实际值。

优选地，所述计算控制模块包括上位机模块和下位机模块，所述上位机模块包括人机界面，使用者通过所述人机界面输入目标面形，所述上位机模块根据所述检测模块测得的实际面形和所述目标面形，判断所述实际面形是否满足所述目标面形的要求，若满足要求，则研磨完成，所述计算控制模块向工业机器人和可控压力柔顺研磨工具输出停止工作指令；若不满足要求，则上位机模块计算所述出实际面形与所述目标面形之间的误差面形，并根据所述误差面形规划研磨轨迹、转速、压力和驻留时间；所述上位机模块将规划的研磨轨迹、转速、压力和驻留时间传输给所述下位机的运动控制卡，由所述运动控制卡输出至所述工业机器人和所述可控压力柔顺研磨工具，所述运动控制卡的输出控制所述工业机器人，使得所述工业机器人按规划的轨迹和驻留时间运动，同时所述运动控制卡的输出控制所述可控压力柔顺研磨工具，使得所述可控压力柔顺研磨工具输出要求的转速和压力，所述工业机器人和所述可控压力柔顺研磨工具协作完成规划的研磨。

进一步地，所述上位机程序模块包括幅值分析模块、频域分析模块、连通性分析模块和特征曲面分析模块分别分析误差面形得到幅值特性、频域特性、连通性和特征曲面这些误差曲面局部曲面特性，并结合幅值分析模块、频域分析模块和特征曲面分析模块分析去除函数得到的幅值特性、频域特性和特征曲面这些去除函数曲面特性，规划最佳的研磨轨迹、转速、压力和驻留时间，以提高收敛速度。

本发明公开了一种压力可控、速度可变的主动柔顺机器人研磨方法，包括以下步骤：

（1）工业机器人操纵可控压力柔顺研磨工具空间移动和定位以对工件进行加工；

（2）检测模块实时监测所述工件的实际面形并将其输出至计算控制模块；

（3）所述计算控制模块控制所述工业机器人和可控压力柔顺研磨工具协作工作：所述计算控制模块根据所述检测模块测得的实际面形和目标面形计算得到误差曲面，若所述误差曲面符合要求，则停止加工，研磨完成；若所述误差曲面不满足要求，则根据所述误差曲面规划研磨的轨迹、压力和转速，并控制所述工业机器人和可控压力柔顺研磨工具协作加工工件，重复步骤（1）～（2），直至误差面形满足要求。

进一步地，在于所述步骤（2）中，所述检测模块采用法向量跟踪的方式即检测模块探针的轴线与被检测件表面接触处的法向保持一致，实时监测所述工件的实际面形并将其输出至计算控制模块，避免了传统研磨机床复杂面形加工中由于高陡度面形所引起的非线性畸变误差。

进一步地，所述步骤（3）中，所述计算控制模块控制所述工业机器人和可控压力柔顺研磨工具协作工作还包括：所述可控压力柔顺研磨工具上装有应变测量片，所述应变测量片反馈加工力信息给所述计算控制模块，所述计算控制模块将所述加工力与设置的参考力进行比较，若所述加工力小于参考力，则所述计算控制模块控制所述工业机器人和可控压力柔顺研磨工具按照设置的研磨参数和研磨力对工件进行加工；若所述加工力大于参考力，则所述计算控制模块控制所述工业机器人和可控压力柔顺研磨工具按照设置的回退速度回退，从而实现对研磨力的实时控制。

以下将结合附图对本发明的构思、具体结构及产生的技术效果作进一步说明，以充分地了解本发明的目的、特征和效果。

附图说明

图1是本发明一个具体实施例的压力可控、速度可变的主动柔顺机器人研磨系统结构示意图。

图2是本发明一个具体实施例的压力可控、速度可变的主动柔顺机器人研磨系统中机器人操纵可控压力柔顺研磨工具加工工件的示意图。

图3是本发明一个具体实施例的压力可控、速度可变的主动柔顺机器人研磨系统中可控压力柔顺研磨工具的剖面示意图。

图4是本发明一个具体实施例的压力可控、速度可变的主动柔顺机器人研磨系统中计算控制模块的示意图。

说明书附图中的编号对应的部件如下。1：6轴工业机器人、2：可控压力柔顺研磨工具、3：工件、4：夹具、5：工作台、6：可控压力柔顺研磨工具外壳、7：音圈电机输出、8：无油轴承、9：音圈电机滑块、10：直线导轨、11：直线导轨滑块、12：侧座、13：连杆轴、14：滚动轴承、15：连杆、16：应变测量片、17：固定连杆轴、18：挡块、19：挡块、20：侧座、21：直线导轨滑块、22：直线导轨、23：电机滑块导轨连接块、24：无油轴承、25：电机滑块、26：研磨主轴电机、27：输出轴、28：输出轴承、29：固定法兰、30：音圈电机、31：研磨盘、32：滚动轴承、33：连杆轴、34：滚动轴承。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的一个具体实施例中进行说明，压力可控、速度可变的主动柔顺机器人研磨系统包括四部分。

（1）工业机器人，通过机器人的6轴联动可以实现对可控压力柔顺研磨工具的空间位置和角度的精确控制，从而实现规划的研磨轨迹和驻留时间。

（2）可控压力柔顺研磨工具，该工具的外壳6的法兰与工业机器人1的腕部法兰连接，其内部的一个或多个音圈电机30输出可控的力，通过音圈电机滑块9、直线导轨滑块11和侧座12的传递施加在连杆15一侧，连杆15另一侧将放大后的力通过侧座20、直线导轨滑块21和电机滑块导轨连接块23的传递施加到电机滑块25上，最后传递到研磨盘31处，成为可控的研磨压力，研磨主轴电机26转速可调，连杆15上设有应变测量片，通过测量经过标定的连杆应变，可反馈加工力，达到加工力的闭环控制。

（3）检测模块，检测模块采用三坐标测量仪，测量经过研磨加工后工件的实际面形，并输入到计算控制模块。

（4）计算控制模块包括上位机模块和下位机模块，使用者通过上位机模块的人机界面输入目标面形和实际面形，上位机模块判断加工后的工件实际面形是否满足要求，若不满足要求则上位机模块计算出误差面形，针对误差面形的局部曲面，通过幅值分析模块、频域分析模块、连通性分析模块和特征曲面分析模块得到误差曲面局部曲面特性，并结合通过去除函数的幅值分析模块、频域分析模块和特征曲面分析模块计算得到的去除函数曲面特性，规划最佳研磨轨迹、转速、压力和驻留时间。上位机模块可根据不同的局部误差，规划最佳的研磨轨迹、转速、压力和驻留时间，以提高收敛速度。上位机模块将规划后的研磨轨迹、转速、压力和驻留时间传输给下位机模块的运动控制卡，由运动控制卡集中控制工业机器人和可控压力柔顺研磨工具，运动控制卡控制工业机器人的驱动模块，使得工业机器人按规划的轨迹和驻留时间运动，同时运动控制卡控制可控压力柔顺研磨工具的研磨主轴电机驱动模块和音圈电机驱动模块，使得可控压力柔顺研磨工具输出要求的转速和压力，使得工业机器人和可控压力柔顺研磨工具协作完成规划的研磨。

以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术人员无需创造性劳动就可以根据本发明的构思做出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域的技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。

Claims (10)

1.一种压力可控、速度可变的主动柔顺机器人研磨系统，包括：工业机器人、可控压力柔顺研磨工具、检测模块和计算控制模块，所述机器人操纵所述可控压力柔顺研磨工具空间移动和定位以对工件进行加工，其特征在于，所述检测模块实时监测所述工件的实际面形并将其输出至所述计算控制模块；所述计算控制模块根据所述检测模块测得的实际面形和目标面形计算得到误差曲面，进而规划研磨的轨迹、压力、转速和和驻留时间控制所述工业机器人和可控压力柔顺研磨工具协作加工工件。

2.如权利要求1所述的压力可控、速度可变的主动柔顺机器人研磨系统，其特征在于所述可控压力柔顺研磨工具包括音圈电机、杠杆力放大机构和转速可控的主轴系统，所述音圈电机内置于所述可控压力柔顺研磨工具，所述音圈电机的输出端通过所述杠杆力放大机构连接所述转速可控的主轴系统提供可控的研磨轴向力。

3.如权利要求1所述的压力可控、速度可变的主动柔顺机器人研磨系统，其特征在于所述可控压力柔顺研磨工具上安装应变测量片，实时反馈研磨加工力信息给计算控制模块。

4.如权利要求1所述的压力可控、速度可变的主动柔顺机器人研磨系统，其特征在于所述可控压力柔顺研磨工具中，音圈电机（30）固定在可控压力柔顺研磨工具外壳（6）内，音圈电机输出（7）与通过固定在外壳（6）上的无油轴承（8）导向的音圈电机滑块（9）一端相连，音圈电机滑块（9）的另一端固定有直线导轨（10），直线导轨滑块（11）沿直线导轨（10）滑动，与直线导轨滑块（11）固定连接的侧座（12）和连杆轴（13）紧配合，连杆轴（13）与连杆（15）分别与滚动轴承（14）内外圈配合，连杆（15）中间支点和固定在外壳（6）上的固定连杆轴（17）同样分别与滚动轴承（34）内外圈配合，连杆（15）上设有应变测量片（16），连杆（15）另一端经滚动轴承（32）和连杆轴（33）连接侧座（20），连杆（15）的运动由挡块（18）、挡块（19）限位，侧座（20）固定在直线导轨滑块（21）上，直线导轨滑块（21）由固定电机滑块导轨连接块（23）上的直线导轨（22）导向，电机滑块导轨连接块（23）与电机滑块（25）相连，固定在外壳（6）上的无油轴承（24）起电机滑块（25）导向作用，研磨主轴电机（26）固定在电机滑块（25）内带动输出轴（27），输出轴承（28）内圈轴向限位在输出轴（27）上，输出轴承（28）外圈由固定法兰（29）轴向固定在外壳（6）内，输出轴（27）末端连接研磨盘（31）。

5.如权利要求1所述的压力可控、速度可变的主动柔顺机器人研磨系统，其特征在于所述检测模块通过三坐标测量仪对工件进行面形检测得到工件的面形实际值。

6.如权利要求1所述的压力可控、速度可变的主动柔顺机器人研磨系统，其特征在于所述计算控制模块包括上位机模块和下位机模块，所述上位机模块包括人机界面，使用者通过所述人机界面输入目标面形，所述上位机模块根据所述检测模块测得的实际面形和所述目标面形，判断所述实际面形是否满足所述目标面形的要求，若满足要求，则研磨完成，所述计算控制模块向工业机器人和可控压力柔顺研磨工具输出停止工作指令；若不满足要求，则上位机模块计算所述出实际面形与所述目标面形之间的误差面形，并根据所述误差面形规划研磨轨迹、转速、压力和驻留时间；所述上位机模块将规划的研磨轨迹、转速、压力和驻留时间传输给所述下位机的运动控制卡，由所述运动控制卡输出至所述工业机器人和所述可控压力柔顺研磨工具，所述运动控制卡的输出控制所述工业机器人，使得所述工业机器人按规划的轨迹和驻留时间运动，同时所述运动控制卡的输出控制所述可控压力柔顺研磨工具，使得所述可控压力柔顺研磨工具输出要求的转速和压力，所述工业机器人和所述可控压力柔顺研磨工具协作完成规划的研磨。

7.如权利要求6所述的压力可控、速度可变的主动柔顺机器人研磨系统，其特征在于所述上位机程序模块包括幅值分析模块、频域分析模块、连通性分析模块和特征曲面分析模块分别分析误差面形得到幅值特性、频域特性、连通性和特征曲面这些误差曲面局部曲面特性，并结合幅值分析模块、频域分析模块和特征曲面分析模块分析去除函数得到的幅值特性、频域特性和特征曲面这些去除函数曲面特性，规划最佳的研磨轨迹、转速、压力和驻留时间，以提高收敛速度。

8.一种压力可控、速度可变的主动柔顺机器人研磨方法，使用如权利要求1所述的压力可控、速度可变的主动柔顺机器人研磨，包括以下步骤：

（1）工业机器人操纵可控压力柔顺研磨工具空间移动和定位以对工件进行加工；

（2）检测模块实时监测所述工件的实际面形并将其输出至计算控制模块；

（3）所述计算控制模块控制所述工业机器人和可控压力柔顺研磨工具协作工作：所述计算控制模块根据所述检测模块测得的实际面形和目标面形计算得到误差曲面，若所述误差曲面符合要求，则停止加工，研磨完成；若所述误差曲面不满足要求，则根据所述误差曲面规划研磨的轨迹、压力和转速，并控制所述工业机器人和可控压力柔顺研磨工具协作加工工件，重复步骤（1）～（2），直至误差面形满足要求。

9.如权利要求8所述的压力可控、速度可变的主动柔顺机器人研磨方法，其特征在于所述步骤（2）中，所述检测模块采用法向量跟踪的方式即检测模块探针的轴线与被检测件表面接触处的法向保持一致，实时监测所述工件的实际面形并将其输出至计算控制模块，避免了传统研磨机床复杂面形加工中由于高陡度面形所引起的非线性畸变误差。

10.如权利要求8所述的压力可控、速度可变的主动柔顺机器人研磨方法，其特征在于所述步骤（3）中，所述计算控制模块控制所述工业机器人和可控压力柔顺研磨工具协作工作还包括：所述可控压力柔顺研磨工具上装有应变测量片，所述应变测量片反馈加工力信息给所述计算控制模块，所述计算控制模块将所述加工力与设置的参考力进行比较，若所述加工力小于参考力，则所述计算控制模块控制所述工业机器人和可控压力柔顺研磨工具按照设置的研磨参数和研磨力对工件进行加工；若所述加工力大于参考力，则所述计算控制模块控制所述工业机器人和可控压力柔顺研磨工具按照设置的回退速度回退，从而实现对研磨力的实时控制。

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