CN104149028B - 一种高精度机器人打磨系统及其控制方法 - Google Patents

一种高精度机器人打磨系统及其控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种高精度机器人打磨系统及其控制方法，设置有工艺专家系统，标定系统，其中，工艺专家系统将工艺参数进行数据库管理，并进行用户输入解释，然后进行数据推理得出有效的数据输出，其通讯连接至标定系统并可向其传送所述数据；标定系统通讯连接至工艺专家系统并可从其接收数据，其包括机器人标定系统，打磨工件标定系统和打磨设备标定系统；其中，机器人标定系统用于机器人运动学参数标定、机器人动力学参数标定；打磨工件标定系统用于完成工件安装位置及姿态的标定；打磨设备标定系统用于完成打磨设备安装位置的标定。本发明通过几个单元的功能执行，可高精度、高效率、高质量的完成工件的打磨工艺，为打磨行业提供系统解决方案。

Description

一种高精度机器人打磨系统及其控制方法
技术领域
本发明涉及卫浴、铸造、喷涂等行业中工业机器人实现高精度、高速度的自动化作业领域，具体涉及一种高精度机器人打磨系统及其控制方法。
背景技术
目前打磨行业在社会生产中存在人工打磨工作环境恶劣，生产效率低下，自动化程度低，熟练操作工非常紧缺等现状。随着信息化及工业自动化技术的发展，很多生产领域实现了机器换人，然而在自动化打磨抛光行业却始终没有一个完整系统的解决方案。工业机器人在打磨行业中的应用是近年来机器人应用范围里一种新型的生产工艺，对机器人控制系统、打磨设备解决方案都提出了更高的要求，工业机器人与数控机床相比加工精度等级要差很多，如何能提高机器人在打磨行业中的加工精度及加工效率、质量涉及到方方面面的技术问题及工艺方法。本发明通过打磨项目的实施，系统总结了机器人打磨系统所需要解决的关键环节，并进行了相关的研究工作，创造出一系列的关键解决技术方法，最终形成了一个完善的系统解决方案。
发明内容
本发明的目的在于提供一种高精度机器人打磨系统及其控制方法，提高在调试阶段的调试时间，增强作业效率。具体技术方案如下：
一种高精度机器人打磨系统，设置有工艺专家系统，标定系统，其中，所述工艺专家系统将工艺参数进行数据库管理，并进行用户输入解释，然后进行数据推理得出有效的数据输出，其通讯连接至标定系统并可向其传送所述数据；所述标定系统通讯连接至工艺专家系统并可从其接收数据，其包括机器人标定系统，打磨工件标定系统和打磨设备标定系统；其中，机器人标定系统用于机器人运动学参数标定、机器人动力学参数标定；打磨工件标定系统用于完成工件安装位置及姿态的标定；打磨设备标定系统用于完成打磨设备安装位置的标定。
进一步地，工艺专家系统将打磨工艺中涉及到的各种工艺参数进行数据库管理，过人机交互界面输入进行用户输入解释。
进一步地，还包括规划系统，其通讯连接至工艺专家系统和标定系统，并通过工艺专家系统提供的工艺参数及标定系统提供的标定数据进行运动学、动力学、负载变形等补偿计算完成机器人末端轨迹点的空间位置规划，并进一步进行轨迹点的速度进行规划，生成机器人控制程序。
进一步地，规划系统包括末端轨迹规划模块，末端速度规划模块和打磨设备速度规划模块。
进一步地，还包括打磨设备系统，打磨设备系统中包括速度控制系统，驱动系统和力位补偿系统，速度控制系统通过总线通讯接收机器人端发送的速度参数实时调整电机速度，补偿系统根据实时的打磨力输入信号进行砂带位置的实时调整保证打磨过程处于恒力状态。
进一步地，工艺专家系统包括知识库，数据库，推理机，解释器和知识获取模块。
进一步地，还包括打磨机，其通过总线通讯与机器人打磨系统进行交互，接受机器人打磨系统发送来速度信号进行变频调速。
进一步地，打磨机包括底座，废料收集装置，导向轮，柔性砂带，打磨轮，安装板，压力传感器，补偿伺服电机，张紧轮和驱动轮，变频器驱动电机提供动力源，通过砂带传递动力，在打磨轮根部有压力传感器，在初始打磨阶段伺服补偿电机不动作，收集打磨过程中压力变化曲线，然后通过压力变化曲线计算出补偿电机在每个打磨点的补偿距离，通过反复修正最终确定每个轨迹点对应的补偿值，存储到机器人控制系统，在实际打磨过程中机器人控制伺服补偿电机进行补偿运动。
上述高精度机器人打磨系统的控制方法，包括如下步骤：
(1)工艺专家系统将打磨工艺中涉及到的各种工艺参数进行数据库管理，通过人机交互界面输入进行用户输入解释；
(2)工艺专家系统进行数据推理得出有效的数据输出；
(3)数据传送到标定系统及规划系统；
(4)标定系统完成机器人运动学参数标定、机器人动力学参数标定；
(5)规划系统通过工艺专家系统提供的工艺参数及标定系统提供的标定数据进行运动学、动力学、负载变形等补偿计算来完成机器人末端轨迹点的空间位置规划，并进一步进行轨迹点的速度进行规划，生成机器人控制程序。
进一步地，步骤(4)中进一步包括打磨工件标定主要完成工件安装位置及姿态的标定；打磨设备标定完成打磨设备安装位置的标定；
步骤(5)中包括如下步骤：
(5-1)末端轨迹规划；
(5-2)补偿后轨迹；
(5-3)末端速度规划；
(5-4)打磨机转速规划。
与目前现有技术相比，本发明可以显著提高在调试阶段的调试时间，增强作业效率，系统全面的解决了机器人打磨系统中几个关键技术，实现了从零开始经过一系列步骤，引入专家系统，完成工业机器人本体标定、末端夹持工具标定，打磨设备标定；机器人末端轨迹点补偿修正；机器人末端轨迹速度的规划,轨迹离散点的运动学计算；打磨设备力位反馈补偿。通过几个单元的功能执行，可以高精度、高效率、高质量的完成工件的打磨工艺，为卫浴、铸造等打磨行业提供了系统解决方案。
附图说明
图1为为高精度机器人打磨系统组成图
图2为打磨机正面图
图3为机器人D-H参数模型图
图中：
1 底座
2 废料收集装置
3 导向轮
4 柔性砂带
5 打磨轮
6 安装板
7 压力传感器
8 补偿伺服电机
9 张紧轮
10 驱动轮
具体实施方式
下面根据附图对本发明进行详细描述，其为本发明多种实施方式中的一种优选实施例。
图一为高精度机器人打磨系统组成图。系统通过引入专家系统将打磨工艺中涉及到的各种工艺参数进行数据库管理，可以通过人机交互界面输入进行用户输入解释，然后进行数据推理得出有效的数据输出。针对不同类型的工件，可靠高质量的获取打磨工艺参数，然后传送到标定及规划系统。标定系统由机器人标定系统、工件标定系统、打磨设备标定系统组成。其中机器人标定系统完成机器人运动学参数标定、机器人动力学参数标定；打磨工件标定主要完成工件安装位置及姿态的标定；打磨设备标定完成打磨设备安装位置的标定；规划系统通过专家系统提供的工艺参数及标定系统提供的标定数据进行运动学、动力学、负载变形等补偿计算来完成机器人末端轨迹点的空间位置规划，并进一步进行轨迹点的速度进行规划，生成机器人控制程序；打磨设备系统主要包括驱动系统、速度控制系统、力位补偿系统，速度控制系统主要是通过总线通讯来收到机器人端发送的速度参数实时调整电机速度；补偿系统根据实时的打磨力输入信号进行砂带位置的实时调整保证打磨过程处于恒力状态。图二为打磨机图，打磨机采用变频器驱动电机[10]提供动力源，通过砂带[4]传递动力。采用总线通讯方式与机器人系统进行交互，接受机器人发送来速度信号进行变频调速[10]。在打磨轮[5]根部有压力传感器[7]，在初始打磨阶段伺服补偿电机不动作，收集打磨过程中压力变化曲线，然后通过压力变化曲线计算出补偿电机在每个打磨点的补偿距离，通过反复修正最终确定每个轨迹点对应的补偿值，存储到机器人控制系统，在实际打磨过程中机器人控制伺服补偿电机[8]进行补偿运动。
标定系统：
机器人绝对精度标定，首先建立起机器人D-H参数模型，如图三所示。机器人DH参数标定使用激光跟踪仪设备及专用标定软件来完成。
打磨工件标定主要完成高精度标定工件在机器人末端的安装位置。
理论工具TCP点矩阵公式：0TT＝0T1 1T2 2T3 3T4 4T5 5T6 6TT
实际工具TCP点矩阵公式：0TT＝0T1 1T2 2T3 3T4 4T5 5T6 6TeeTT
工具安装矩阵为6Te＝0T6 -10TT
打磨台安装位置标定，通过跟踪仪标定设备三个特征点位置，三点计算出一个坐标系，然后与理论值对应计算的坐标系进行计算可以求出打磨设备的安装位置矩阵。
规划系统：规划系统的工作过程为：
末端轨迹规划-->补偿后轨迹-->末端速度规划-->打磨机转速规划。
上面结合附图对本发明进行了示例性描述，显然本发明具体实现并不受上述方式的限制，只要采用了本发明的方法构思和技术方案进行的各种改进，或未经改进直接应用于其它场合的，均在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种高精度机器人打磨系统，其特征在于，设置有工艺专家系统，标定系统和打磨设备系统，其中，
所述工艺专家系统将工艺参数进行数据库管理，并进行用户输入解释，然后进行数据推理得出有效的数据输出，其通讯连接至标定系统并可向其传送所述数据；
所述标定系统通讯连接至工艺专家系统并可从其接收数据，其包括机器人标定系统，打磨工件标定系统和打磨设备标定系统；其中，机器人标定系统用于机器人运动学参数标定、机器人动力学参数标定；打磨工件标定系统用于完成工件安装位置及姿态的标定；打磨设备标定系统用于完成打磨设备安装位置的标定；
所述打磨设备系统中包括速度控制系统，驱动系统和力位补偿系统，速度控制系统通过总线通讯接收机器人端发送的速度参数实时调整电机速度，补偿系统根据实时的打磨力输入信号进行砂带位置的实时调整保证打磨过程处于恒力状态。
2.如权利要求1所述的高精度机器人打磨系统，其特征在于，工艺专家系统将打磨工艺中涉及到的各种工艺参数进行数据库管理，过人机交互界面输入进行用户输入解释。
3.如权利要求1或2所述的高精度机器人打磨系统，其特征在于，还包括规划系统，其通讯连接至工艺专家系统和标定系统，并通过工艺专家系统提供的工艺参数及标定系统提供的标定数据进行运动学、动力学、负载变形三种补偿计算完成机器人末端轨迹点的空间位置规划，并进一步进行轨迹点的速度进行规划，生成机器人控制程序。
4.如权利要求3所述的高精度机器人打磨系统，其特征在于，规划系统包括末端轨迹规划模块，末端速度规划模块和打磨设备速度规划模块。
5.如权利要求1所述的高精度机器人打磨系统，其特征在于，工艺专家系统包括知识库，数据库，推理机，解释器和知识获取模块。
6.如权利要求1或2所述的高精度机器人打磨系统，其特征在于，还包括打磨机，其通过总线通讯与机器人打磨系统进行交互，接受机器人打磨系统发送来速度信号进行变频调速。
7.如权利要求6所述的高精度机器人打磨系统，其特征在于，打磨机包括底座，废料收集装置，导向轮，柔性砂带，打磨轮，安装板，压力传感器，补偿伺服电机，张紧轮和驱动轮，变频器驱动电机提供动力源，通过砂带传递动力，在打磨轮根部有压力传感器，在初始打磨阶段伺服补偿电机不动作，收集打磨过程中压力变化曲线，然后通过压力变化曲线计算出补偿电机在每个打磨点的补偿距离，通过反复修正最终确定每个轨迹点对应的补偿值，存储到机器人控制系统，在实际打磨过程中机器人控制伺服补偿电机进行补偿运动。
8.如权利要求1或2所述高精度机器人打磨系统的控制方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)工艺专家系统将打磨工艺中涉及到的各种工艺参数进行数据库管理，通过人机交互界面输入进行用户输入解释；
(2)工艺专家系统进行数据推理得出有效的数据输出；
(3)数据传送到标定系统及规划系统；
(4)标定系统完成机器人运动学参数标定、机器人动力学参数标定；
(5)规划系统通过工艺专家系统提供的工艺参数及标定系统提供的标定数据进行运动学、动力学、负载变形三种补偿计算来完成机器人末端轨迹点的空间位置规划，并进一步进行轨迹点的速度进行规划，生成机器人控制程序。
9.如权利要求8所述高精度机器人打磨系统的控制方法，其特征在于，步骤(4)中进一步包括打磨工件标定主要完成工件安装位置及姿态的标定；打磨设备标定完成打磨设备安装位置的标定；和/或，步骤(5)中包括如下步骤：
(5-1)末端轨迹规划；
(5-2)补偿后轨迹；
(5-3)末端速度规划；
(5-4)打磨机转速规划。
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