CN104289946A - 一种机器人自动制孔装备的压脚控制方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种机器人自动制孔装备的压脚控制方法及系统，其中方法部分包括以下步骤：1)测得压脚的位置、压脚与工件的距离，设定指令位置，得到压脚当前位置相对指令位置的偏差：2)根据偏差利用滑模变结构控制方法控制压脚运动到指令位置；3)控制压脚运动，直至压脚接触工件，并保持一定的压紧力；4)对工件进行制孔，制孔完成后，控制压脚退回。本发明将压脚伸出并压紧工件的过程分为两个阶段，一是实现气缸推动压脚快速到达工件表面，但不发生碰撞；二是通过气缸的快速加压实现压脚对工件产生一定的压紧力，这在实现压脚快速定位的同时，可实现压脚与工件的软接触，避免因过大冲击引起工件表面不平整而对加工质量和外观产生的影响。

Description

一种机器人自动制孔装备的压脚控制方法及系统

技术领域

本发明属于飞机数字化装配技术领域，具体涉及一种机器人自动制孔装备的压脚控制方法及系统。

背景技术

机器人自动制孔系统因其高效、灵活、低成本等特点在国外航空制造业中得到了广泛的研究和应用。末端执行器作为机器人制孔加工的核心设备，是实现制孔加工柔性化、在高精度孔加工中降低成本的关键。压脚是末端执行器的重要组成部分，压脚的合理运用，可消除叠层材料贴合面间隙，抑制贴合面毛刺生成，同时可增加制孔系统的动态刚度，使系统在制孔加工时更加稳定。对压脚的控制要求采用结构简单紧凑，可保持恒定压力输出但不需要过高定位精度的控制方法。随着气动伺服技术的发展及高性能反馈元件的研发和应用，气动力控制取得了突破性发展，其以紧凑的结构给予较大力控制带宽和精度，令电机和电液控制难以与之媲美。

申请公布号为CN103100734A的专利文献公开了一种制孔末端执行器，包括对接支撑组件、转动设置在对接支撑组件一端的刀具公转组件、转动设置在刀具公转组件内的刀具自转组件、设置在对接支撑组件另一端用于控制刀具轴向进给的轴向进给组件和设置在刀具公转组件上用于对刀具进行偏心调节的刀具调偏组件。该专利文献通过刀具调偏组件的设置，使制孔末端执行器夹持一把刀具可加工多种孔径，避免了换刀环节，提高制孔效率。但是该专利文献没有设置压脚，制孔时稳定性较差。

申请公布号为CN 102794491A的专利文献公开了一种自动化螺旋铣孔装置及其方法。装置包括底座、主轴滑座、外偏心套筒、内偏心套筒、力矩电机、圆光栅、电主轴、压脚、工业相机、直线光栅、4个激光距离传感器、伺服电机、滚珠丝杠副、同步带等；其中，内、外偏心套筒的内、外轮廓的轴线采用偏置设计，内偏心套筒安装在外偏心套筒内部，外偏心套筒的内轮廓轴线与内偏心套筒的外轮廓轴线重合。该专利文献设置了压脚，增加制孔系统的动态刚度，使系统在制孔加工时更加稳定。但是该专利文献没有公开压脚的控制方法，为了避免压脚对工件产生过大的冲击，需要对压脚进行优化控制。

发明内容

针对上述问题，本发明提供了一种机器人自动制孔装备的压脚控制方法及系统。能使压脚快速定位到工件表面且避免对工件产生过大的冲击。

1、一种机器人自动制孔装备的压脚控制方法，包括以下步骤：

1)测得压脚的位置、压脚与工件的距离，设定指令位置，得到压脚当前位置相对指令位置的偏差，所述指令位置与工作位置具有间隙：

2)根据所述偏差利用滑模变结构控制方法控制压脚运动到指令位置；

3)压脚运动到指令位置后，控制压脚运动，令压脚接触并压紧工件，即压脚到达工作位置；

4)对工件进行制孔，制孔完成后，控制压脚退回。

本发明的控制方法将将压脚伸出并压紧工件的过程分为两个阶段，一是实现气缸推动压脚快速到达工件表面，但不发生碰撞；二是通过气缸的快速加压实现压脚对工件产生一定的压紧力。本发明可实现压脚快速定位，缩短制孔加工工序节拍；可实现压脚与工件的软接触，避免因过大冲击引起工件表面不平整而对加工质量和外观产生的影响；相比于无缓冲控制方法有效减小了冲击力对工件的影响。

作为优选，所述步骤4)中，当压脚与工件的压紧力达到设定值后开始制孔，所述设定值可以调节，范围为：200～3000N，所述N为力学压力单位“牛”。

可实现气压与压脚对工件压紧力的自动比例调节，可根据制孔工艺要求和现场加工工况选择适当的压紧力，保证制孔质量。

压脚的位置为X，压脚与工件的距离为D，指令位置为X_d，压脚当前位置相对指令位置的偏差为e(t)，e(t)＝X_d+λD-X，其中λ为反馈增益系数，λ大于1。

理论上讲λ取值越大越好，根据实际情况为了使偏差较为合适，作为优选，λ的取值范围为：10～20。

作为优选，所述步骤2)中，根据偏差利用滑模变结构控制方法得到第一电压，该第一电压用于控制电气比例减压阀，从而控制气缸工作带动压脚运动到指令位置。

作为优选，所述步骤2)中，滑模变结构控制方法根据压脚阀控缸气动伺服系统非线性数学模型设计，并对摩擦力及外界不确定干扰和摄动进行补偿。

作为优选，所述步骤3)中，压脚运动到指令位置后，切换至第二电压，该第二电压控制电气比例减压阀，从而控制气缸工作带动压脚运动到工作位置，并对工件保持设定的压紧力。

本发明还公开了一种机器人自动制孔装备的压脚控制系统。

一种机器人自动制孔装备的压脚控制系统，包括：

直线导轨，设置在所述机器人自动制孔装备上；

滑块，滑动安装在所述直线导轨上；

压脚，固定在所述滑块上；

激光测距传感器，设置在压脚上，用于测量压脚与工件之间的距离；

绝对光栅，设置在机器人自动制孔装备上，用于测量压脚的位置；

气缸，用于驱动所述压脚移动；

电磁换向阀，输出端具有两个输气口，两个输气口分别与所述气缸的有杆腔和无杆腔连通；

电气比例减压阀，输入端与气源相连接，输出端与电磁换向阀的输入端连通；

滑模变结构控制器，接收来自激光测距传感器、绝对光栅的信号以及指令位置信号，并输出第一电压；

切换开关，输出端接电气比例减压阀的控制电路，输入端至少有两个，其中一个输入端接第一电压，另一个输入端接预设的第二电压；

力/位置控制切换开关，用于根据接收到的绝对光栅的信号控制切换开关，使切换开关的输出在第一电压和第二电压之间切换。

压脚控制系统工作时，激光测距传感器向滑模变结构控制器输入压脚与工件的距离信号D，绝对光栅向滑模变结构控制器输入压脚的位置信号X，结合指令位置信号X_d，得到压脚当前位置相对指令位置的偏差信号e(t)，e(t)＝X_d+λD-X，滑模变结构控制器根据偏差信号e(t)利用滑模变结构控制方法得到第一电压U1，力/位置控制切换开关接收来自绝对光栅的压脚的位置信号X，当压脚的位置信号X不等于指令位置信号X_d时，切换开关的输入端接第一电压U1，此时第一电压U1用于控制电气比例减压阀，从而控制气缸工作带动压脚运动到指令位置；当压脚的位置信号X等于指令位置信号X_d时，力/位置控制切换开关控制切换开关的输入端接预设的第二电压U2，控制压脚快速压紧工件，使压紧力达到设定值，然后机器人自动制孔装备进行制孔，制孔结束后，压脚退回。

为了使压脚受力较好，作为优选，所述气缸为多个，各气缸同步工作。

所述电磁换向阀的两个输气口均连接有分流器且与分流器的输入端连通，其中一个分流器的输出端分别与各气缸的有杆腔连通，另一个分流器的输出端分别与各气缸的无杆腔连通。

所述压脚控制系统还包括控制电磁换向阀工作的运动方向切换开关。

当制孔完成，压脚需要退回时，通过运动方向切换开关控制电磁换向阀使气缸的活塞杆做退回运动。

本发明的有益效果是：本发明的控制方法及系统将将压脚伸出并压紧工件的过程分为两个阶段，一是实现气缸推动压脚快速到达工件表面，但不发生碰撞；二是通过气缸的快速加压实现压脚对工件产生一定的压紧力，这可实现压脚快速定位，缩短制孔加工工序节拍；可实现压脚与工件的软接触，避免因过大冲击引起工件表面不平整而对加工质量和外观产生的影响；相比于无缓冲控制方法有效减小了冲击力对工件的影响。

附图说明

图1是本发明机器人自动制孔装备的压脚控制系统的结构示意图；

图2是压脚控制系统的控制原理图；

图3是压脚位置示意图。

图中各附图标记为：1、压脚，2、激光测距传感器，3、气缸，4、绝对光栅，5、直线导轨，6、机器人自动制孔装备，7、工件，8、电磁换向阀，9、电气比例减压阀，10、气源，11、管路通道，12、分流器，13、运动方向切换开关，14、力/位置控制切换开关，15、滑模变结构控制器。

具体实施方式

下面结合各附图，对本发明做详细描述。

一种机器人自动制孔装备的压脚控制方法，包括以下步骤：

1)测得压脚的位置、压脚与工件的距离，设定指令位置，得到压脚当前位置相对指令位置的偏差，所述指令位置与工作位置具有间隙，且该间隙较小：

压脚的位置为X，由绝对光栅测得；压脚与工件的距离为D，由激光测距传感器测得；指令位置为X_d，压脚当前位置相对指令位置的偏差为e(t)，e(t)＝X_d+λD-X，其中λ为反馈增益系数，本实施例λ取25。

2)根据所述偏差利用滑模变结构控制方法得到第一电压，该第一电压用于控制电气比例减压阀，从而控制气缸工作带动压脚运动到指令位置。

3)压脚运动到指令位置后，切换至第二电压，该第二电压控制电气比例减压阀，从而控制气缸工作带动压脚运动到工作位置，控制压脚运动，令压脚接触并压紧工件，即压脚到达工作位置；

4)当压脚与工件的压紧力达到设定值后，对工件进行制孔，制孔完成后，控制压脚退回。

如图1、2所示，一种机器人自动制孔装备的压脚控制系统，包括：

直线导轨5，设置在所述机器人自动制孔装备6上；

滑块，滑动安装在所述直线导轨上；

压脚1，固定在所述滑块上；

激光测距传感器2，设置在压脚上，用于测量压脚与工件7之间的距离；

绝对光栅4，设置在机器人自动制孔装备上，用于测量压脚的位置；

两个气缸3，用于驱动压脚移动；

电磁换向阀8，输出端具有两个输气口，两个输气口均通过管路通道11连接有分流器12且与分流器的输入端连通，其中一个分流器的输出端分别与各气缸的有杆腔连通，另一个分流器的输出端分别与各气缸的无杆腔连通；

电气比例减压阀9，输入端与气源10相连接，输出端与电磁换向阀8的输入端连通；

滑模变结构控制器15，接收来自激光测距传感器2、绝对光栅4的信号以及指令位置信号，并输出第一电压U1；

切换开关，输出端接电气比例减压阀9的控制电路，输入端有三个，其中第一个输入端接第一电压U1，第二个输入端接预设的第二电压U2，第二电压U2由制孔工艺确定计算得到，第三个输入端接0V电压；

力/位置控制切换开关14，用于根据接收到的绝对光栅的信号控制切换开关，使切换开关的输出在第一电压和第二电压之间切换；

运动方向切换开关13，控制电磁换向阀工作。

本实施例的压脚控制系统将压脚伸出并压紧工件的过程分为两个阶段，一是实现气缸推动压脚快速到达工件表面，但不发生碰撞；二是通过气缸的快速加压实现压脚对工件产生一定的压紧力，压力可在200～3000N之间调节。如图3所示，压脚位置分为三个状态：R状态、M状态和V状态。R状态表示压脚处于退回状态，V状态表示压脚压紧工件状态，M状态表示压脚已经快速接近工件，但还未对工件施加压力。

压脚控制系统工作时，激光测距传感器2采集压脚与工件的距离信号D，绝对光栅4采集压脚的位置信号X，当运动方向切换开关13收到压脚“伸出”命令时，控制电磁换向阀使气缸的无杆腔进气，有杆腔与大气连通。为实现压脚快速无碰撞接近工件，设计气动全闭环控制结构。滑模变结构控制器15以位压脚的位置信号X反馈，以压脚的位置信号X、指令位置信号Xd、压脚与工件的距离信号D三者比较得出位置偏差信号e(t)为输入，e(t)＝X_d+λD-X，偏差信号e(t)经过滑模变结构控制器计算输出第一电压U1给电气比例减压阀9，控制气缸的活塞带动压脚运动。随着压脚位移不断增大(压脚的位置信号X增大)，压脚与工件的距离不断减小(压脚与工件的距离信号D减小)，第一电压U1不断减小，当偏差信号e(t)为零时，电气比例减压阀处于零位，压脚停止运动，此时气缸活塞处于M状态，假设压脚退回状态(R状态)时与工件距离为L，由e(t)＝0可知，当压脚处于M状态时，压脚位移量X＝X_d+λD，在压脚运动过程中，L＝D+X恒成立，故可求M状态下压脚与工件间距离D＝(L-X_d)/(λ+1)。若指令位置X_d＝0，则有D＝L/(λ+1)，从理论上讲，只要λ取值足够大，压脚与工件可以无限接近而不发生碰撞。

压脚运动至M状态后，绝对光栅4采集压脚的位置信号经力/位置控制切换开关判断后将电气比例减压阀的输入电压由第一电压U1，切换到预设的第二电压U2，通过电气比例减压阀完成气缸压力自动调节进而保证压脚对工件压紧力恒定，然后机器人自动制孔装备进行制孔。

制孔结束后，当运动方向切换开关收到压脚“退回”命令时，运动方向切换开关控制电磁换向阀使气缸的有杆腔进气，无杆腔与大气连通，从而控制气缸的活塞杆做退回运动，带动压脚退回。

压脚回到R状态后，力/位置控制切换开关将电气比例减压阀的输入电压切换到0V。

本实施例的滑模变结构控制器15根据压脚1阀控缸气动伺服系统非线性数学模型设计，并对摩擦力及外界不确定干扰和摄动进行补偿。压脚1气动伺服系统用三阶微分方程表达为：x⁽³⁾＝α(P_a，P_b，x，t)+β(P_a，P_b，x，t)A_ve+d(x，t)，其中系统状态系数α，β为关于气缸3有杆腔气压P_a，无杆腔气压P_b，气缸3位移x，时间t的表达式；A_ve为电气比例伺服阀进气口的开口面积，由电气比例伺服阀输入电压决定；d(x,t)为摩擦力及外界扰动。在不考虑干扰项d(x，t)时，选取滑模变结构控制算法的切换函数：e＝x-x_d-λd，结合指数趋近律求得平均控制量A_ve，得到系统不受干扰时滑模变结构控制器的输出Ueq。考虑到C.Canudas de Wit提出的摩擦力模型特性并对其进行补偿，选取合适的摩擦力调整量Ud。得到滑模变结构控制器15的输出为U₁＝U_eq+U_d。

本实施例相比于无缓冲控制方法有效减小了冲击力对工件的影响，将机器人与工件轴向变形量削弱了32％；相比于气动节流控制缓冲方法动作时间缩短了36.6％。

以上所述仅为本发明的优选实施例，并非因此即限制本发明的专利保护范围，凡是运用本发明说明书及附图内容所作的等效结构变换，直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的保护范围内。

Claims (10)

1.一种机器人自动制孔装备的压脚控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)测得压脚的位置、压脚与工件的距离，设定指令位置，得到压脚当前位置相对指令位置的偏差，所述指令位置与工作位置具有间隙：

2)根据所述偏差利用滑模变结构控制方法控制压脚运动到指令位置；

3)压脚运动到指令位置后，控制压脚运动，令压脚接触并压紧工件，即压脚到达工作位置；

4)对工件进行制孔，制孔完成后，控制压脚退回。

2.根据权利要求1所述的机器人自动制孔装备的压脚控制方法，其特征在于，所述步骤4)中，当压脚与工件的压紧力达到设定值后开始制孔，所述设定值可以调节，范围为：200～3000N。

3.根据权利要求1所述的机器人自动制孔装备的压脚控制方法，其特征在于，压脚的位置为X，压脚与工件的距离为D，指令位置为X_d，压脚当前位置相对指令位置的偏差为e(t)，e(t)＝X_d+λD-X，其中λ为反馈增益系数，λ大于1。

4.根据权利要求3所述的机器人自动制孔装备的压脚控制方法，其特征在于，λ的取值范围为：10～20。

5.根据权利要求1所述的机器人自动制孔装备的压脚控制方法，其特征在于，所述步骤2)中，根据偏差利用滑模变结构控制方法得到第一电压，该第一电压用于控制电气比例减压阀，从而控制气缸工作带动压脚运动到指令位置。

6.根据权利要求1所述的机器人自动制孔装备的压脚控制方法，其特征在于，所述步骤2)中，滑模变结构控制方法根据压脚阀控缸气动伺服系统非线性数学模型设计，并对摩擦力及外界不确定干扰和摄动进行补偿。

7.根据权利要求1所述的机器人自动制孔装备的压脚控制方法，其特征在于，所述步骤3)中，压脚运动到指令位置后，切换至第二电压，该第二电压控制电气比例减压阀，从而控制气缸工作带动压脚运动到工作位置，并对工件保持设定的压紧力。

8.一种机器人自动制孔装备的压脚控制系统，其特征在于，包括：

直线导轨，设置在所述机器人自动制孔装备上；

滑块，滑动安装在所述直线导轨上；

压脚，固定在所述滑块上；

激光测距传感器，设置在压脚上，用于测量压脚与工件之间的距离；

绝对光栅，设置在机器人自动制孔装备上，用于测量压脚的位置；

气缸，用于驱动所述压脚移动；

电磁换向阀，输出端具有两个输气口，两个输气口分别与所述气缸的有杆腔和无杆腔连通；

电气比例减压阀，输入端与气源相连接，输出端与电磁换向阀的输入端连通；

滑模变结构控制器，接收来自激光测距传感器和绝对光栅的信号，并输出第一电压；

切换开关，输出端接电气比例减压阀的控制电路，输入端至少有两个，其中一个输入端接第一电压，另一个输入端接预设的第二电压；

力/位置控制切换开关，用于根据接收到的绝对光栅的信号控制切换开关，使切换开关的输出在第一电压和第二电压之间切换。

9.根据权利要求8所述的机器人自动制孔装备的压脚控制系统，其特征在于，所述气缸为多个，各气缸同步工作。

10.根据权利要求8所述的机器人自动制孔装备的压脚控制系统，其特征在于，还包括控制电磁换向阀工作的运动方向切换开关。