CN105538095A - 一种大型风电叶片多机器人协同打磨系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种大型风电叶片多机器人协同打磨系统及方法，其中该打磨系统包括工件水平导轨、N个机器人打磨单元、机器人控制柜及系统控制柜。每个所述机器人打磨单元均包括两台机器人及与每台机器人对应的竖直导轨、打磨头、扫描测量仪、力控装置。本发明通过控制指令实现工件水平导轨、竖直导轨和机器人的协同运动，机器人带动打磨头按照规划路径打磨工件，大大降低了工人的劳动强度，同时机器人打磨单元的两台机器人协同作业，保证打磨头同时打磨并同时离开叶片表面，使叶片两侧的打磨压力基本抵消，有效地减小了叶片的变形，提高了叶片表面质量和加工效率。本发明具有自动化程度高、安全稳定、高效率高柔性、具有可移植性的特点。

Description

一种大型风电叶片多机器人协同打磨系统及方法

技术领域

本发明涉及大型工件打磨技术领域，尤其涉及一种大型风电叶片多机器人协同打磨系统及方法。

背景技术

作为风力发电机组的关键核心部件之一，风电叶片在能源行业有着广泛应用，其制造水平代表着国家制造业的核心竞争力。风电叶片大多采用玻璃纤维增强聚醋树脂、玻璃纤维增强环氧树脂以及涂料等难加工复合材料，设计为复杂的三维扭曲曲面，主要经过阳模-翻阴模-铺层-加热固化-脱模-打磨表面-喷漆等工艺，周期长、制造难度大。风电叶片在脱模完成后，其型面处几乎普遍需要打磨。目前传统的风电叶片打磨依然主要是采用人工打磨作业的方式，依靠工人经验来操作完成，由此带来诸如人工打磨生产效率低(需配置多名员工连续作业、人工劳动强度大)、员工工作环境恶劣(粉尘危害严重，需佩戴防毒面罩作业)、操作稳定性差(打磨效果易受员工状态、情绪、熟练程度等的影响)、成本费用高等问题。虽然，工业应用中存在一些商品化机器人打磨系统，但它们均是针对小型工件。对于风电叶片类大型工件的打磨作业，由于存在其尺寸范围大、外形多变，且叶尖部位加工易变形等问题，迄今为止其表面打磨加工尚未出现完善的机器人自动打磨系统解决方案。

发明内容

本发明的目的在于通过一种大型风电叶片多机器人协同打磨系统及方法，来解决以上背景技术部分提到的问题。

为达此目的，本发明采用以下技术方案：

一种大型风电叶片多机器人协同打磨系统，其包括工件水平导轨、N个机器人打磨单元、机器人控制柜及系统控制柜，其中N为正整数；待打磨叶片安装在所述工件水平导轨上，所述工件水平导轨的滑动带动所述叶片在水平方向移动；每个所述机器人打磨单元均包括两台机器人及与每台机器人对应的竖直导轨、打磨头、扫描测量仪、力控装置，与所述两台机器人对应的竖直导轨对称竖直安装在所述叶片两侧，所述两台机器人各自安装在与其对应的竖直导轨上，通过竖直导轨带动机器人沿竖直方向移动，所述打磨头、扫描测量仪、力控装置安装在与其对应的机器人上；所述机器人打磨单元中的两个打磨头与叶片的接触位置对称分布在该叶片两侧；所述机器人控制柜与机器人打磨单元中的两台机器人连接，生成机器人移动控制指令，控制机器人带动打磨头按照规划路径进行打磨作业；所述系统控制柜与工件水平导轨、机器人控制柜、机器人打磨单元中的竖直导轨连接，控制所述工件水平导轨和所述竖直导轨的伺服电机的启动、停止及转速。

特别地，所述大型风电叶片多机器人协同打磨系统还包括叶片夹持装置，所述待打磨叶片通过所述叶片夹持装置夹紧固定在工件水平导轨上。

特别地，根据所述机器人打磨单元中机器人的有效工作范围，通过路径规划软件将所述待打磨叶片划分为若干工段，并将每个工段划分为若干打磨区域；在系统控制柜控制下，所述工件水平导轨带动叶片移动以使各工段依次进入机器人工作空间，所述机器人竖直导轨带动机器人移动使机器人依次到达叶片的各打磨区域。

特别地，所述工件水平导轨在系统控制柜控制下移动的距离与打磨工段的长度相等，确保下一打磨工段全部进入机器人工作范围。

特别地，所述机器人控制柜包括一套控制系统和两套驱动系统，控制、驱动机器人打磨单元中两台机器人的协同作业；所述两台机器人根据机器人控制柜输出的机器人移动控制指令，带动打磨头打磨并在打磨完成后同时离开叶片。

特别地，所述机器人打磨单元中两个竖直导轨在系统控制柜控制下移动的距离由工段划分的打磨区域决定，确保下一打磨区域全部进入机器人工作范围。

特别地，所述系统控制柜与机器人控制柜通讯连接，当一个打磨区域打磨完成且所有打磨头都与叶片脱离接触后，机器人控制柜与系统控制柜通讯，统控制柜控制竖直导轨带动与其对应的机器人移动，进入下一打磨区域；当一个打磨工段打磨完成且所有打磨头都与叶片脱离接触后，机器人控制柜与系统控制柜通讯，系统控制柜发出指令控制工件水平导轨带动叶片水平移动，使各工段依次进入机器人的工作空间，机器人竖直导轨带动机器人移动以使机器人依次到达各打磨区域。

本发明还公开了一种基于上述大型风电叶片多机器人协同打磨系统的大型风电叶片多机器人协同打磨方法，其包括如下步骤：

S101、根据叶片CAD模型及机器人的工作范围，规划打磨路径；

S102、通过调整叶片和机器人的位置打磨叶片不同工段的不同打磨区域，按照所述步骤S101中规划出的打磨路径完成对叶片所有工段的打磨。

特别地，所述步骤S101具体包括：

S1010、根据叶片的CAD模型和根据机器人型号确定工作范围；

S1011、根据叶片CAD模型的长度确定叶片打磨的工段和所需机器人打磨单元的数量；

S1012、在路径规划软件中规划打磨路径；

S1013、在RobotStudio仿真软件中进行系统加工仿真；

S1014、通过仿真判断是否打磨到位和发生干涉，规划出合理的打磨路径。

特别地，所述步骤S102具体包括：

S1020、通过机器人末端的扫描测量仪分段扫描待打磨叶片；

S1021、将实际扫描的模型与理论模型匹配；

S1022、通过标定叶片坐标系和打磨头的坐标系，建立机器人与装夹后叶片的位置关系；

S1023、调整叶片和机器人打磨单元的位置，进入第i(i>0)工段的打磨区域；

S1024、机器人打磨单元打磨第i工段的第j(j>0)目标区域；

S1025、调整机器人的位置打磨第i工段的j+1目标区域；

S1026、重复调整机器人的位置打磨第i工段的所有打磨区域；

S1027、第i工段打磨完成后，调整叶片和机器人的位置进入叶片i+1工段的打磨；

S1028、重复调整叶片和机器人位置完成对不同工段所有打磨区域的打磨；

S1029、判断叶片表面是否打磨到位，若到位则叶片的打磨完成，否则重复打磨不同工段的不同打磨区域。

本发明提出的大型风电叶片多机器人协同打磨系统及方法优点如下：(1)机器人打磨单元的两台机器人协同作业，两个打磨头与叶片的接触位置一直对称分布在叶片两侧，且同时打磨或离开其表面，使两侧打磨压力相抵消，减小叶片刚性较弱部位因受力不均产生的变形和位移；(2)根据叶片长度和打磨效率要求，可以采用不同数量的打磨单元，系统应用灵活；(3)工件水平导轨与机器人竖直导轨垂直布置的方式，增加了系统的灵活性和打磨范围，极大满足大型风电叶片的打磨要求；(4)采用PROFIBUS总线技术，实现了系统控制柜与机器人控制柜之间的实时通信，保证各运动单元之间的良好协作。

附图说明

图1为本发明实施例提供的大型风电叶片多机器人协同打磨系统结构图；

图2为本发明实施例提供的大型风电叶片多机器人协同打磨方法的路径规划流程图；

图3为本发明实施例提供的大型风电叶片多机器人协同打磨方法的具体加工流程图；

图4为本发明实施例提供的风电叶片打磨工段和打磨区域划分的示意图。

具体实施方式

为了便于理解本发明，下面将参照相关附图对本发明进行更全面的描述。附图中给出了本发明的较佳实施例。但是，本发明可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施例。相反地，提供这些实施例的目的是使对本发明的公开内容理解的更加透彻全面。需要说明的是，当元件被称为“固定于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。本文所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的，并不表示是唯一的实施方式。除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。本文所使用的术语“及/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。

请参照图1所示，图1为本发明实施例提供的大型风电叶片多机器人协同打磨系统结构图。

本实施例中大型风电叶片多机器人协同打磨系统具体包括工件水平导轨301、机器人打磨单元(302、303、310、311)、机器人控制柜304及系统控制柜(图中未示出)。需要说明的是，机器人打磨单元的具体数量可以根据待打磨叶片306的长度及所需的打磨效率而灵活增减。在本实施例中所述大型风电叶片多机器人协同打磨系统还包括高负压吸尘装置和防护罩，确保打磨过程的清洁和安全。

所述待打磨叶片306安装在所述工件水平导轨301上，所述工件水平导轨301的滑动带动所述叶片306在水平方向移动。所述工件水平导轨301固定安装在地面上，连接系统控制柜，其伺服电机的启动、停止和转速均受系统控制柜的控制。在本实施例中所述大型风电叶片多机器人协同打磨系统还包括叶片夹持装置312，所述待打磨叶片306通过所述叶片夹持装置312夹紧固定在工件水平导轨301上。

每个所述机器人打磨单元(302、303、310、311)均包括两台机器人及与每台机器人对应的竖直导轨305、打磨头307、扫描测量仪308、力控装置309，与所述两台机器人对应的竖直导轨305对称竖直安装在所述叶片306两侧，所述两台机器人各自安装在与其对应的竖直导轨305上，通过竖直导轨305带动机器人沿竖直方向移动，所述打磨头307、扫描测量仪308、力控装置309安装在与其对应的机器人上。所述机器人打磨单元(302、303、310、311)中的两个打磨头307与叶片306的接触位置对称分布在该叶片306两侧。

根据所述机器人打磨单元(302、303、310、311)中机器人的有效工作范围，通过路径规划软件将所述待打磨叶片306划分为若干工段，并将每个工段划分为若干打磨区域即目标区域，在系统控制柜控制下，所述工件水平导轨301带动叶片306移动以使各工段依次进入机器人工作空间，所述机器人竖直导轨305带动机器人移动使机器人依次到达叶片306的各打磨区域。其中，所述工件水平导轨301在系统控制柜控制下移动的距离与打磨工段的长度相等，确保下一打磨工段全部进入机器人工作范围。

所述机器人控制柜304与机器人打磨单元(302、303、310、311)中的两台机器人连接，生成机器人移动控制指令，控制机器人带动打磨头307按照规划路径进行打磨作业。在本实施例中所述机器人控制柜304包括一套控制系统和两套驱动系统，控制、驱动机器人打磨单元(302、303、310、311)中两台机器人的协同作业；所述两台机器人根据机器人控制柜304输出的机器人移动控制指令，带动打磨头307打磨并在打磨完成后同时离开叶片306。机器人打磨单元(302、303、310、311)中的竖直导轨305与系统控制柜连接，通过系统控制柜控制竖直导轨305的伺服电机的启动、停止及转速。其中，所述机器人打磨单元(302、303、310、311)中两个竖直导轨305在系统控制柜控制下移动的距离由工段划分的打磨区域决定，以确保下一打磨区域全部进入机器人工作范围。

所述系统控制柜还与机器人控制柜304通讯连接。当一个打磨区域打磨完成且所有打磨头307都与叶片306脱离接触后，机器人控制柜304与系统控制柜通讯，统控制柜控制竖直导轨305带动与其对应的机器人移动，进入下一打磨区域；当一个打磨工段打磨完成且所有打磨头307都与叶片306脱离接触后，机器人控制柜304与系统控制柜通讯，系统控制柜发出指令控制工件水平导轨301带动叶片306水平移动，使各工段依次进入机器人的工作空间，机器人竖直导轨305带动机器人移动以使机器人依次到达各打磨区域。

基于上述大型风电叶片多机器人协同打磨系统，本实施例还公开了一种大型风电叶片多机器人协同打磨方法，其具体包括：

S101、根据叶片CAD模型及机器人的工作范围，规划打磨路径。加工前合理规划打磨的路径以确定机器人打磨单元和打磨的工段，以及打磨叶片的时间和效率等；为叶片打磨到位并满足打磨要求提供保证。如图2所示，具体过程如下：

S1010、根据叶片的CAD模型和根据机器人型号确定工作范围。

S1011、根据叶片CAD模型的长度确定叶片打磨的工段和所需机器人打磨单元的数量。

S1012、在路径规划软件中规划打磨路径。

S1013、在RobotStudio仿真软件中进行系统加工仿真。

S1014、通过仿真判断是否打磨到位和发生干涉，规划出合理的打磨路径。

S102、通过调整叶片和机器人的位置打磨叶片不同工段的不同打磨区域，按照所述步骤S101中规划出的打磨路径完成对叶片所有工段的打磨。通过调整叶片和机器人单元的位置来不断打磨叶片不同工段的不同目标区域，按照步骤S101已经规划好的合理的打磨路径来实现叶片表面全方位的打磨；不仅满足打磨的工艺要求，而且能够提高打磨的效率，保证叶片加工质量的一致性。如图3所示，具体过程如下：

S1020、通过机器人末端的扫描测量仪分段扫描待打磨叶片。

S1021、将实际扫描的模型与理论模型匹配。

S1022、通过标定叶片坐标系和打磨头的坐标系，建立机器人与装夹后叶片的位置关系。

S1023、调整叶片和机器人打磨单元的位置，进入第i(i>0)工段的打磨区域。

S1024、机器人打磨单元打磨第i工段的第j(j>0)目标区域。

S1025、调整机器人的位置打磨第i工段的j+1目标区域。

S1026、重复调整机器人的位置打磨第i工段的所有打磨区域。

S1027、第i工段打磨完成后，调整叶片和机器人的位置进入叶片i+1工段的打磨。

S1028、重复调整叶片和机器人位置完成对不同工段所有打磨区域的打磨。

S1029、判断叶片表面是否打磨到位，若到位则叶片的打磨完成，否则重复打磨不同工段的不同打磨区域。

下面针对打磨工作前，对叶片的打磨工段划分及打磨工段的打磨区域划分作扼要示例说明。如图4所示，先根据本示例待打磨叶片402的模型和机器人(406、407、409、410)型号来确定有效工作范围，通过路径规划软件将所述叶片(402)划分为若干工段。根据要求划分为2个工段(即i＝1和2)：第一工段401和第二工段408；每个工段划分为若干打磨区域，本示例叶片402的每个打磨工段又可划分为三个区域(即j＝1、2和3)：第一目标区域(403)、第二目标区域(404)和第三目标区域(405)。根据划分不同工段和不同目标区域来生成合理的打磨路径，而打磨单元的数量又可以根据需要打磨的叶片的长度及打磨效率要求而增减。

本发明的技术方案通过控制指令实现工件水平导轨、竖直导轨和机器人的协同运动，机器人带动打磨头按照规划路径打磨工件，大大降低了工人的劳动强度，同时机器人打磨单元的两台机器人协同作业，保证打磨头同时打磨并同时离开叶片表面，使叶片两侧的打磨压力基本抵消，有效地减小了叶片的变形，提高了叶片表面质量和加工效率。本发明具有自动化程度高、安全稳定、高效率高柔性的特点，并且能使叶片打磨加工质量稳定、效果统一，同时代替了工人在打磨抛光这种恶劣的环境中工作，并显著提升了产品加工效率；同时本发明不仅适用于某种大型风电叶片的打磨，还适用于其它复杂曲面大型零件的加工，具有可移植性，只需要重新根据零件的模型进行离线编程，并且重新规划加工路径和布置机器人单元，就可以实现工件的自动打磨加工。

注意，上述仅为本发明的较佳实施例及所运用技术原理。本领域技术人员会理解，本发明不限于这里所述的特定实施例，对本领域技术人员来说能够进行各种明显的变化、重新调整和替代而不会脱离本发明的保护范围。因此，虽然通过以上实施例对本发明进行了较为详细的说明，但是本发明不仅仅限于以上实施例，在不脱离本发明构思的情况下，还可以包括更多其他等效实施例，而本发明的范围由所附的权利要求范围决定。

Claims (10)

1.一种大型风电叶片多机器人协同打磨系统，其特征在于，包括工件水平导轨、N个机器人打磨单元、机器人控制柜及系统控制柜，其中N为正整数；待打磨叶片安装在所述工件水平导轨上，所述工件水平导轨的滑动带动所述叶片在水平方向移动；每个所述机器人打磨单元均包括两台机器人及与每台机器人对应的竖直导轨、打磨头、扫描测量仪、力控装置，与所述两台机器人对应的竖直导轨对称竖直安装在所述叶片两侧，所述两台机器人各自安装在与其对应的竖直导轨上，通过竖直导轨带动机器人沿竖直方向移动，所述打磨头、扫描测量仪、力控装置安装在与其对应的机器人上；所述机器人打磨单元中的两个打磨头与叶片的接触位置对称分布在该叶片两侧；所述机器人控制柜与机器人打磨单元中的两台机器人连接，生成机器人移动控制指令，控制机器人带动打磨头按照规划路径进行打磨作业；所述系统控制柜与工件水平导轨、机器人控制柜、机器人打磨单元中的竖直导轨连接，控制所述工件水平导轨和所述竖直导轨的伺服电机的启动、停止及转速。

2.根据权利要求1所述的大型风电叶片多机器人协同打磨系统，其特征在于，所述大型风电叶片多机器人协同打磨系统还包括叶片夹持装置，所述待打磨叶片通过所述叶片夹持装置夹紧固定在工件水平导轨上。

3.根据权利要求2所述的大型风电叶片多机器人协同打磨系统，其特征在于，根据所述机器人打磨单元中机器人的有效工作范围，通过路径规划软件将所述待打磨叶片划分为若干工段，并将每个工段划分为若干打磨区域；在系统控制柜控制下，所述工件水平导轨带动叶片移动以使各工段依次进入机器人工作空间，所述机器人竖直导轨带动机器人移动使机器人依次到达叶片的各打磨区域。

4.根据权利要求3所述的大型风电叶片多机器人协同打磨系统，其特征在于，所述工件水平导轨在系统控制柜控制下移动的距离与打磨工段的长度相等，确保下一打磨工段全部进入机器人工作范围。

5.根据权利要求4所述的大型风电叶片多机器人协同打磨系统，其特征在于，所述机器人控制柜包括一套控制系统和两套驱动系统，控制、驱动机器人打磨单元中两台机器人的协同作业；所述两台机器人根据机器人控制柜输出的机器人移动控制指令，带动打磨头打磨并在打磨完成后同时离开叶片。

6.根据权利要求5所述的大型风电叶片多机器人协同打磨系统，其特征在于，所述机器人打磨单元中两个竖直导轨在系统控制柜控制下移动的距离由工段划分的打磨区域决定，确保下一打磨区域全部进入机器人工作范围。

7.根据权利要求6所述的大型风电叶片多机器人协同打磨系统，其特征在于，所述系统控制柜与机器人控制柜通讯连接，当一个打磨区域打磨完成且所有打磨头都与叶片脱离接触后，机器人控制柜与系统控制柜通讯，统控制柜控制竖直导轨带动与其对应的机器人移动，进入下一打磨区域；当一个打磨工段打磨完成且所有打磨头都与叶片脱离接触后，机器人控制柜与系统控制柜通讯，系统控制柜发出指令控制工件水平导轨带动叶片水平移动，使各工段依次进入机器人的工作空间，机器人竖直导轨带动机器人移动以使机器人依次到达各打磨区域。

8.一种基于权利要求1所述打磨系统的大型风电叶片多机器人协同打磨方法，其特征在于，包括如下步骤：

S101、根据叶片CAD模型及机器人的工作范围，规划打磨路径；

S102、通过调整叶片和机器人的位置打磨叶片不同工段的不同打磨区域，按照所述步骤S101中规划出的打磨路径完成对叶片所有工段的打磨。

9.根据权利要求8所述的大型风电叶片多机器人协同打磨方法，其特征在于，所述步骤S101具体包括：

S1010、根据叶片的CAD模型和根据机器人型号确定工作范围；

S1011、根据叶片CAD模型的长度确定叶片打磨的工段和所需机器人打磨单元的数量；

S1012、在路径规划软件中规划打磨路径；

S1013、在RobotStudio仿真软件中进行系统加工仿真；

S1014、通过仿真判断是否打磨到位和发生干涉，规划出合理的打磨路径。

10.根据权利要求9所述的大型风电叶片多机器人协同打磨方法，其特征在于，所述步骤S102具体包括：

S1020、通过机器人末端的扫描测量仪分段扫描待打磨叶片；

S1021、将实际扫描的模型与理论模型匹配；

S1022、通过标定叶片坐标系和打磨头的坐标系，建立机器人与装夹后叶片的位置关系；

S1023、调整叶片和机器人打磨单元的位置，进入第i(i>0)工段的打磨区域；

S1024、机器人打磨单元打磨第i工段的第j(j>0)目标区域；

S1025、调整机器人的位置打磨第i工段的j+1目标区域；

S1026、重复调整机器人的位置打磨第i工段的所有打磨区域；

S1027、第i工段打磨完成后，调整叶片和机器人的位置进入叶片i+1工段的打磨；

S1028、重复调整叶片和机器人位置完成对不同工段所有打磨区域的打磨；

S1029、判断叶片表面是否打磨到位，若到位则叶片的打磨完成，否则重复打磨不同工段的不同打磨区域。